МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА <4 • 2008
УДК 532.525.2:533.6.011
© 2008 г. А. Г. ЕРЕЗА, Ю. Н. ЕРМАК, Б. Л. ЖИРНИКОВ, О. К. КУДИН, Е. А. ЛЕЙТЕС, В. Я. НЕЙЛАНД, Ю. Н. НЕСТЕРОВ, В. И. ПЛЯШЕЧНИК
ИССЛЕДОВАНИЯ НА МОДЕЛИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ГАЗОВ В ДОННОЙ ОБЛАСТИ
Представлены данные о методике и результатах исследования рециркуляции газов в донной области носителя на основе измерения концентраций химических веществ на модели при испытаниях в аэродинамической трубе. Реактивные струи двигателей моделировались продуктами сгорания твердого топлива.
Ключевые слова: донное течение, реактивные струи, газодинамическое моделирование, газовый анализ.
1. Постановка задачи. Носители, используемые для запуска космических аппаратов, имеют значительное количество источников газа, расположенных в донной области. Это, прежде всего, струи реактивных двигателей и выхлоп турбонасосных агрегатов. С поднятием носителя на высоту и образованием течения с обратными токами в донной области носителя может накапливаться газовая смесь, богатая горючим. Расширение реактивных струй на больших высотах может привести к отрыву внешнего потока с боковой поверхности носителя и наполнению срывной зоны горючими газами. Все это представляет определенную опасность для летательного аппарата из-за возможного возгорания выбрасываемых газов вблизи незащищенных поверхностей.
Основная задача исследований заключалась в определении на модели носителя вклада разных источников в наполнение донной области газами. Рассматривались четыре возможных источника: центральная связка двигателей, боковые подвесные ускорители, турбины насосных агрегатов и внешний поток.
Для решения задачи необходимо смоделировать аэродинамику обтекания хвостовой части модели таким образом, чтобы сохранить механизмы, вызывающие перечисленные эффекты. Это достигалось соблюдением соответствующих параметров моделирования при выборе геометрии модели и состава источников газов.
2. Модель. На фиг. 1 приведена фотография модели ракеты-носителя в аэродинамической трубе Т-109 ЦАГИ с размерами рабочей части 2.25 х 2.25 м2. Характерные размеры модели: длина около 2300 мм, дно вдоль большой оси - 230 мм. Модель крепится в трубе на боковой державке. При установке под углом атаки положение модели меняется так, что носовая часть смещается в сторону боковой стенки трубы, к которой крепится державка, а поверхность модели с приемниками давления становится наветренной. Исследования проводились в диапазоне числа М набегающего потока 1.2-3.5. Для этих режимов числа Яе, вычисленные по параметрам невозмущенного потока и линейному размеру один метр, составляют диапазон (21-28) ■ 106.
Для имитации струй двигателей на модели используются струи твердотопливных газогенераторов. Характеристики газогенераторов выбраны с учетом требования максимального приближения к натурным модельным параметрам: уе - отношения удельных
теплоемкостей продуктов сгорания на срезах сопел; р'е = ре/рм - отношения статических давлений на срезах сопел и в окружающей среде; 7о/Г0м - отношения температур тормо-
Фиг. 1. Модель носителя в аэродинамической трубе Т-109
ников
жения в камере сгорания и в окружающей среде; Ле/Л* - отношения площадей срезов сопел и их критических сечений; 0е - угла раскрытия сопла на выходе.
На фиг. 2 изображена схема донной части модели. Струи трех центральных двигателей - основного и двух боковых ускорителей, имитируются подачей продуктов сгорания из общей камеры. Четыре подвесных ускорителя съёмные и в зависимости от моделируемого режима полета два из них могут отсутствовать или не работать. Подвесные ускорители имеют каждый свою камеру сгорания. Время действия центрального газогенератора составляет 0.75 с, съемных - 0.5 с. В табл. 1 приведены характеристики модельных газогенераторов.
Для имитации выброса отработанных газов турбин используется холодный инертный газ аргон. Аргон, моделирующий выхлоп турбины двух боковых ускорителей, выбрасывается через патрубок, форма которого в масштабе повторяет форму натурного, а
Таблица 1
Модельный источник газа Р0 ■ 10-5, н/м2 То, К Ъ 4М* 0е, град
Основное сопло 85 2833 1.21 25 : 1 0.717
Сопла 2 ускорителей 85 2833 1.21 8 : 1 3.33
Сопла 4 подвесных ускорителей 85 3167 1.14 8 : 1 18.5
Таблица 2
Химические соединения Мольные доли химических соединений газогенераторов
центрального подвесных ускорителей
Н - 0.0005
Н2 0.1339 0.2033
н2о 0.2190 0.1541
N2 0.1331 0.1298
со 0.2882 0.4382
со2 0.2258 0.0740
выпуск аргона турбины основного двигателя - через восемь трубок, расположенных с равномерным шагом вокруг центрального сопла. Управление двумя системами выброса осуществляется независимо. Давление в системах выбиралось из условия сохранения отношения импульсов струй из двигателей и из выхлопных систем турбин на модели и натуре, что увеличивает модельный перепад давлений ре/р„, (ре( - статическое давление на выходе из выхлопного патрубка) по сравнению с натурным. Однако это не приводило к существенным искажениям поперечного размера выхлопной струи. При рассматриваемых перепадах давления характерный поперечный размер струи й изменяется прямо пропорционально (ре /рм)0'5 и 1/уе( [1]. Использование аргона с у = 1.67 позволяет в некоторой степени компенсировать увеличение поперечного размера струи из-за роста перепада давлений.
В процессе эксперимента на модели проводились измерения давления на боковой поверхности, на дне, в камерах сгорания газогенераторов и в системе подвода аргона. Тепловые измерения включали определения температуры газа в донной области и теплового потока на дне и на боковой поверхности вблизи донного среза. Модель была препарирована системой отбора проб газа в пяти точках. Четыре точки расположены на дне и одна вблизи дна на боковой поверхности. Датчики для измерения давления, тепловых измерений и приемники системы отбора проб компактно расположены в пяти зонах (1-5 на фиг. 2).
Блок управления и синхронизации обеспечивал определенную последовательность запуска трубы, включения зажигания газогенераторов, клапанов газовых систем и системы сбора информации по командам от ЭВМ.
3. Метод определения долей смесевых газовых источников по результатам анализа проб. Пробы, отобранные в пяти точках поверхности модели, в общем случае могут содержать газы из разных источников. Ставится задача определения пропорций, в которых газы из рассматриваемых источников содержатся в пробах. В табл. 2 приведены объемные концентрации газообразных химических соединений, содержащихся в продуктах сгорания в выходных сечениях сопел.
В составах продуктов сгорания разных газогенераторов (в табл. 2) отсутствуют индивидуализирующие их химические соединения, по содержанию которых можно было бы сделать заключение о долях этих источников газа в газовой смеси в месте отбора пробы. Принудительная индивидуализация источников путем добавления к ним газов-меток нецелесообразна, поскольку для целей количественного анализа необходимо, чтобы доля примеси в газе источника была постоянна во всех точках соответствующего потока, а это условие трудно выполнить и проконтролировать. Кроме того, в составе продуктов сгорания имеются недоокисленные химические соединения, и реакции окисления могут продолжаться в потоке с участием кислорода воздуха окружающей среды. Это может привести к изменению объемных концентраций химических соединений источников в местах отбора проб.
В связи с изложенными соображениями для количественного определения долей газов от разных источников, входящих в состав пробы, был использован метод, основанный на том факте, что одинаковые химические элементы в разных источниках содержатся в различных пропорциях. Учтено также то обстоятельство, что при образовании смеси даже с протеканием химических реакций не происходит исчезновения исходных и образования новых химических элементов. Эти соображения позволяют для каждого химического элемента записать уравнение баланса, которое выражает собой закон сохранения массы для данного элемента
к
X йцх] = ь (3.1)
ц = 1
где йц - массовая концентрация г-го химического элемента вц-м источнике, Хц - массовая доля ц-го источника в смеси, Ьг - массовая концентрация г-го элемента в смеси газов от всех источников, к - число источников.
Подобные уравнения записываются для каждого химического элемента, входящего в состав газов-источников. В данном случае, в соответствии с числом химических элементов таких уравнений пять (для углерода, кислорода, водорода, азота и аргона).
Составы газов-источников считаются известными, так как использовалось стандартизованное топливо. Концентрации элементов в смеси определяются по результатам химического анализа смеси. Поскольку число уравнений в системе (3.1) больше числа источников, неизвестные заранее доли источников определяются из решения системы
к
уравнений (3.1) методом наименьших квадратов с учетом ограничений X Хц = 1, Хц > 0.
Ц = 1
Исходный состав газов-источников и состав газовой смеси обычно задаются объемными концентрациями химических соединений. Ввиду этого предварительно проводился переход к массовым концентрациям химических элементов по известным формулам. Метод исследований и его точность рассмотрены в [2-4].
Данные по концентрациям отдельных соединений в смеси газов получаются в результате анализа проб газовой смеси, взятых в процессе эксперимента. Для отбора газовых проб использована система, собранная с учетом особенностей эксперимента: малого времени работы источников струй и пониженного относительно атмосферы уровня давления в точках отбора. В каждой из пяти точек проба отбиралась в две емкости, объемом 0.001 м3 каждая. Перед экспериментом система отбора проб вакуумировалась до давления не выше 0.1 мм ртутного столба.
Состав проб определялся на газовом хроматографе с детектором по теплопроводности. Калибровка хроматографа проводилась с использованием как чистых газов, так и калибровочных смесей. Окончательная проверка осуществлялась на основе анализа контрольных смесей. В табл. 3 приведен пример согласования данных по концентраци-
3 Механика жидкости и газа, № 4
Таблица 3
Хи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.