Результат интеллектуальной деятельности: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к ракетной технике и, в частности, к экспериментальным газогенераторам (ЭГГ) для определения параметров продуктов сгорания (ПС) твердых топлив (ТТ), а также для выбора эффективных газогенераторных рецептур ТТ, применяемых в прямоточных воздушно-реактивных двигателях (ПВРД). Этими параметрами являются давление и температура ПС в ЭГГ, содержание несгоревшего горючего в ПС, истекающих из газогенератора, и другие параметры ПВРД.

Необходимость таких установок особенно актуальна при создании ПВРД на твердом топливе /1, 2, 3, 4/. На фиг. 1 изображена условная схема ПВРД с газогенератором 1, камерой дожигания 2 и воздухозаборником 3. Истекающие из газогенератора несгоревшие ПС сгорают в камере дожигания в смеси с поступающим из воздухозаборника наружным воздухом, создавая дополнительный импульс тяги ПВРД. Полученные при испытаниях ЭГГ значения параметров газогенераторных ТТ могут быть использованы для оценки эффективности и энергетических возможностей ПВРД.

В настоящее время известны различные ЭГГ для определения параметров ПС. Эти ЭГГ обладают конструктивными недостатками и мало информативны. В них /1, 2/ отсутствует сопло со сверхзвуковой частью и не предусмотрен замер температуры ПС. Кроме того, существуют экспериментальные установки, в которых определяется состав ПС с использованием пробоотборников /5, 6, 7, 8/. Эти установки не моделируют условия горения в газогенераторах. Пробоотборники обычно устанавливаются в газогенераторах, испытываемых на стенде. Однако они дают только локальные значения состава ПС, а этого недостаточно для получения полной информации о ПС. Существуют способы определения состава ПС на выходе из сопла, в частности содержания в них конденсированной фазы с помощью известных программных комплексов типа «Астра» /9/. Однако для газогенераторных ТТ применение этих способов дает недостоверные результаты, так как они рассчитывают только равновесные термодинамические процессы в ПС.

В качестве прототипа изобретения принят ЭГГ, описанный в работе /2/. Недостатками этого ЭГГ является наличие нескольких сопел, не имеющих сверхзвуковой части. Кроме того, в прототипе не предусмотрен замер тяги, что необходимо для расчета потерь удельного импульса тяги (УИТ). Для таких конструкций ЭГГ отсутствует достоверная математическая модель процессов в сопле и, следовательно, нет возможности разложения суммарных потерь УИТ на составляющие, что необходимо для определения содержания несгоревшего горючего в ПС. Отсутствует возможность замера такого важного для работоспособности конструкции параметра, как температура ПС. Недостатком также является фиксированная длина заряда, что не позволяет ею варьировать и, таким образом, экономить ТТ при выборе эффективных газогенераторных рецептур ТТ.

Технической задачей изобретения является создание ЭГГ для определения содержания несгоревшего горючего в ПС и других параметров горения ТТ, практически исключающего перечисленные выше недостатки прототипа.

Поставленная техническая задача решается тем, что в ЭГГ, включающем корпус, переднее дно, сопловой блок и заряд торцевого горения (ЗТГ) из ТТ, выполнены следующие изменения. ЭГГ включает датчик тяги, выполненный с возможностью упора в опорную плиту. В корпусе ЭГГ расположен инертный наполнитель, на который опирается ЗТГ. Наличие такого наполнителя позволяет размещать в ЭГГ заряды произвольной длины, т.к. длина наполнителя выбирается таким образом, чтобы суммарная длина заряда и наполнителя была равна длине внутренней цилиндрической части корпуса. Между корпусом и сопловым блоком расположена коническая вставка, на которой выполнены штуцеры для установки датчиков давления и температуры. В сопловом блоке расположено сопло с дозвуковой и сверхзвуковой частями. Такая конструкция позволяет с высокой степенью достоверности рассчитывать газодинамические и двухфазные потери удельного импульса тяги, которые используются для определения количества несгоревшего горючего в ПС.

Ниже рассмотрен пример реализации изобретения. Схема ЭГГ для определения параметров ПС газогенераторных ТТ показана на фиг. 2. ЭГГ состоит из передней крышки 15 с гнездом для установки датчика тяги 14, металлического корпуса 16, инертного наполнителя 4, ЗТГ 5 массой от 0,5 до 2 кг, диаметром 90 мм и переменной длины от 30 до 230 мм. На вставке 6 расположены датчик давления 11 и датчик температуры 7, позволяющие измерять давление и температуру ПС в камере сгорания. Сопловой вкладыш 10, расположенный в сопловом блоке 9, имеет диаметр критического сечения Dкр=5…15 мм. Степень расширения сопла выбрана таким образом, чтобы максимально реализовался режим безотрывного течения ПС в сверхзвуковой части сопла. Зажжение образца производится воспламенителем 13.

При определении параметров горения газогенераторных ТТ сочетаются расчетный и экспериментальный подходы решения проблемы. Перед испытанием ЭГГ устанавливают на ложементы стапеля с подвижной тележкой 12. Датчик тяги 14 упирается в опорную плиту. При срабатывании воспламенителя в камере сгорания ЭГГ происходит подъем давления. Результаты измерений фиксируют на осциллограммах (фиг. 3). В течение испытания измеряют значения давления P(t), температуры ПС T(t) и тяги R(t) в зависимости от времени t.

После испытания по результатам измерений рассчитывают Iэ - экспериментальное значение УИТ ТТ в ЭГГ. Затем рассчитывают ξ - значение суммарных потерь УИТ, обусловленное всеми видами потерь (из-за рассеяния, трения, отвода тепла в стенки ЭГГ, двухфазности потока, неполноты процесса кристаллизации окислов металла и др.), кроме потерь, связанных с неполнотой сгорания горючего в ПС /5/. После этого рассчитывают значения

УИТ (термодинамического) Ip°, соответствующее полученным Iэ и ξ по формуле:

Ip°=Iэ/(1-ξ),

а затем по программе «TERRA» /10/ определяют зависимость термодинамического УИТ Ip от содержания металла q в топливе Ip=f(q) (в предположении химического равновесия процессов в камере сгорания). По этой зависимости и значению Ip° определяют содержание несгоревшего металла q_э в топливе, при котором выполняется условие

Ip(q_э)=Ip°

Здесь значение q_э является искомым количеством (содержанием) несгоревшего горючего.

Проведенные испытания ЭГГ показали работоспособность данного изобретения. При сжигании разных газогенераторных ТТ среднее давление в ЭГГ составляло от 1.5 кгс/см² до 100 кгс/см². Измеренная температура ПС составила 800…2100°C. Для различных испытанных газогенераторных ТТ содержание несгоревшего металлического горючего составило 80…100% при содержании конденсированной фазы 40…50% от всей массы ПС. Полученные результаты позволяют выбрать наиболее эффективную рецептуру для использования в ПВРД.

Использованные литературные источники

1. Александров В.Н., Быцкевич В.М, Верхоломов В.К. и др. Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах / Под редакцией докт. техн. наук Л.С. Яновского. М: ИКЦ «Академкнига». 2006, стр. 61-98.

2. Сорокин В.А., Яновский Л.С, Козлов В.А. и др. Ракетно-прямоточные двигатели на твердых и пастообразных топливах / Под редакцией члена-корреспондента РАН, доктора технических наук, профессора Ю.М. Милехина и канд. техн. наук В.А. Сорокина. - М.: Физматлит, 2010, стр. 250-255.

3. Алешичева Л.И., Дунаев В.А., Положай Ю.В и др. «Активно-реактивный снаряд». Патент РФ №2493533 от 20.09.2013.

4. Соломонов Ю.С., Дорофеев А.А. Король Г.Ф. и др. «Твердотопливная ракета». Патент РФ №2492417 от 10.09.2013.

5. Милехин Ю.М., Ключников А.Н., Бурский Г.В., Лавров Г.С. Энергетика ракетных двигателей на твердом топливе / Под редакцией члена-корреспондента РАН Ю.М. Милехина. - М.: Наук, 2013, стр. 148-153.

6. Чесноков М.Н., Горев Л.В. О дисперсности продуктов сгорания механической смеси порошков алюминия и кадмия // Физика аэродисперсных систем. - 1972. - №6.

7. Коэн. Горение топлив с избытком горючего // Ракетная техника и космонавтика. 1969. №7, стр. 161-171.

8. Адаме. Достоверный критерий полноты сгорания // Ракетная техника и космонавтика. 1969. №7, стр. 220-225.

9. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах: Программа для ЭВМ / МГТУ им. Н.Э. Баумана; РосАПО. - Гос. рег. №920054. - 1992.

10. Трусов Б.Г. Программная система TERRA для моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах // III Международный симпозиум «Горение и плазмохимия». 24-26 августа 2005. Алматы, Казахстан. - Алматы: Казак университетi, 2005.