5.4. УДЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС РДТТ

Величина удельного импульса РДТТ зависит от характеристик сопла, внешних условий, располагаемой теплоты сгорания ТРТ, потерь энергии от продуктов сгорания к агрегатам и корпусу двигателя, степени скоростной и термической неравновесности газа и твердых частиц, полноты сгорания топлива и вклада выделяющихся в процессе работы двигателя инертных компонентов.

Максимальный теоретический удельный импульс рассчитывают из условия минимума свободной энергии в предположении, что течение в камере сгорания одномерное, динамически равновесное и полностью гомогенное, а какие-либо потери отсутствуют (см., например, [59]). На рис. 57 показано

Рис. 57. Влияние давления в камере сгорания на экономичность типичного потери на расходимость течения (постоянные); II — потери вследствие дзухфазности течения; III — потери на рекомбинацию; IV — потери в пограничном слое для сопла с горячей стенкой потери в пограничном слое для сопла с холодной стенкой предыдущие экспериментальные данные; О экспериментальные данные с доверительным уровнем.

влияние различных факторов на отклонение величины от в зависимости от давления в камере Рассчитанные параметры рабочего процесса проверяются данными испытаний на модельном двигателе, используемом для определения баллистических характеристик ТРТ.

5.4.1. РАСЧЕТ

Подход, используемый в вычислительной программе заключается в расчете параметров рабочего процесса РДТТ на основе отклонений от идеальных характеристик с применением для этих целей ряда независимых моделей. В программе предусматривается расчет следующих потерь: потерь в двумерном (расходящемся) двухфазном потоке, потерь, связанных с неполнотой сгорания, с использованием утопленного сопла, химико-кинетических потерь и потерь в пограничном слое. С учетом последних модификаций она включает а) подпрограмму полностью замкнутого расчета двумерных двухфазных до- и транс-звуковых течений, б) новую модель расчета размеров частиц в) более реалистичную модель полноты сгорания, основанную на расчетах траекторий агломератов алюминиевых частиц, г) модель эрозии горловины сопла, основанную на точных методах расчета нестационарного нагрева материала с использованием кинетики его обугливания и кинетики эрозии графитовых вставок. Кроме того, модифицировано описание сопротивления и теплообмена газа с частицами и учтены потери, вызванные соударениями частиц со стенками сопла.

В экспериментах, проведенных на 11 современных РДТТ с топливами на основе полибутадиена, получены значения которые согласуются с рассчитанными величинами с точностью не хуже 0,5% (рис. 58).

5.4.2. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Модельные двигатели, применяемые для определения баллистических свойств ТРТ, имеют, как правило, простую конструкцию. Они снаряжаются цилиндрическим канальным зарядом с горением в радиальном направлении и характеризуются нейтральной кривой (в пределах крутым участком спада давления в конце горения и временем горения, превышающим 87% времени работы двигателя. Интеграл от давления по времени на участке догорания заряда составляет 5% аналогичного интеграла за все время работы двигателя. Чтобы свести к минимуму эффект эрозионного горения, отношение должно быть больше больше 2. Для снижения тепловых потерь и предотвращения эрозии сопла время горения заряда выбирают малым (2—10 с). Материал вставки горловины

Рис. 58. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по экономичности РДТТ [52]. Расчеты выполнены с использованием модифицированной программы — приближенная модель трансзвукового течения; А — полностью замкнутая модель трансзвукового течения.

сопла и ее размер следует выбирать такими, чтобы свести к минимуму «разгар» сопла и обеспечить давление в камере с отклонениями не более 10% по отношению к рабочему давлению в полномасштабном РДТТ. В модельном двигателе используется коническое сопло с полууглом раствора и степенью расширения, несколько меньшей оптимального значения, для обеспечения безотрывного истечения продуктов сгорания. Израсходованную в процессе сгорания массу определяют, взвешивая двигатель до и после опыта. Наиболее подходящая масса модельного двигателя составляет около 25 кг. Для моделирования малоразмерных натурных РДТТ диаметром меньше 75 см можно использовать модельные двигатели меньшей массы (от 2,5 до 5 кг). Для моделирования крупногабаритных натурных двигателей используются их точные копии в уменьшенном масштабе. Чтобы оценить вклад инертных элементов (теплоизоляционных материалов, ингибиторов) в характеристики РДТТ, используют разные подходы; согласно одному из них, применяемому на практике, считается, что удельный импульс инертных материалов вдвое меньше удельного импульса топлива.