5.6.5. ВИДЫ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ В РДТТ

Вибрационное горение в РДТТ принято классифицировать по трем модам колебаний в камере сгорания: объемной (низкочастотной), поперечной и продольной (или осевой), каждая из

которых отличается характером движения газа при периодических изменениях поля течения.

Простейший вид неустойчивости горения, известный под названием объемной моды колебаний, представляет собой неустойчивость, при которой давление одинаково изменяется во времени во всех точках объема камеры с частотой от 5 да 150 Гц. Такая неустойчивость наблюдается главным образом при низких давлениях в РДТТ с небольшими значениями отношения объема камеры сгорания к площади критического сечения сопла. Это отношение называют приведенной длиной камеры а указанную неустойчивость — неустойчивостью -типа или неакустической неустойчивостью. Неустойчивость -типа обычно наблюдается на начальной стадии горения, когда приведенная длина мала; при увеличении неакустические колебания прекращаются (рис. 68). Если значение необходимое для устойчивой работы двигателя, не достигается, то амплитуда колебаний может существенно нарастать, приводя к циклическому процессу временного погасания заряда и повторного самовоспламенения (рис. 69). В натурных РДТТ низкие значения соответствующие рассматриваемому типу неустойчивости, характерны в основном для верхних ступеней ракет-носителей и двигателей орбитальных космических аппаратов, имеющих минимальный объем камеры сгорания на начальных стадиях горения (высокую плотность заряжания) и сопло с большой площадью критического сечения (низкое рабочее давление). В работе [136] предложена аналитическая модель неустойчивости -типа и проведено сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными.

Рис. 68. Примеры регистрограмм давление — время для неустойчивости объемной моды [136]. а - при малых низкочастотная нестабильность.

Порядок характерных частот для поперечных мод колебаний в РДТТ

Здесь а — скорость звука (порядка 1000 м/с), a D - соответствующий поперечный размер, например диаметр полости камеры сгорания Поперечные моды колебаний имеют частоты порядка 500—50 000 Гц в зависимости от размера двигателя. Исследования поперечных мод колебаний сопряжены со значительными экспериментальными трудностями вследствие того, что к датчикам предъявляются требования высокой чувствительности (обязательно использование пьезоэлектрических датчиков) и необходимости их тщательной установки, исключающей дополнительное демпфирование или возмущение акустического поля.

Неустойчивость поперечных мод колебаний может быть подавлена, если использовать алюминизированные топлива, что не всегда желательно. Перечислим основные методы подавления неустойчивости поперечных мод.

1. Изменения геометрии заряда или размещение в камере механических элементов, предназначенных для подавления колебаний.

2. Модификация рецептуры ТРТ для изменения функции чувствительности. Этот шаг следует предпринимать на том этапе проектирования РДТТ, когда выбирается топливо, поскольку впоследствии он обходится намного дороже.

3. Добавка небольшого количества диспергированного демпфирующего агента с размером частиц, оптимизированным для подавления колебаний ожидаемых частот.

4. Доработка формы заряда для снижения взаимодействия между акустическим полем и осредненным потоком.

Часто возникают самопроизвольные колебания продольных мод (рис. 62). Частоты таких колебаний ниже, чем для поперечных мод, так как длина полости камеры сгорания, как правило, в 5—25 раз больше ее ширины. Топлива, проявляющие неустойчивость по отношению к поперечным модам колебаний, могут быть склонны и к продольной неустойчивости горения. Когда в камере возникают продольные колебания, средняя скорость горения ТРТ может увеличиваться в качественном соответствии с механизмом развития неустойчивости поперечных мод. Однако условия устойчивости для двух рассматриваемых мод колебаний совершенно различны. Отчасти это связано с «более низкими частотами продольных колебаний, а отчасти с тем, что направление колебаний газа при неустойчивости продольной моды параллельно поверхности горения и направлению

осредненного течения в полости камеры сгорания и в сопле. Влияние продольных колебаний на конструкцию ракеты намного более ярко выражено, так как в этом случае сильнее взаимосвязь между процессом в камере и конструкцией.

Типичные значения частот продольных мод колебаний находятся в диапазоне 1004-2000 Гц, что соответствует длине двигателя от 5 до 0,3 м, хотя наблюдались также продольные колебания низкой частоты порядка 15 Гц и высокой — порядка 15 000 Гц. При стендовых огневых испытаниях РДТТ продольные колебания, как правило, всегда регистрируются, поскольку их частота находится в пределах разрешения используемых на практике датчиков давления и регистрирующей аппаратуры. Колебания давления с амплитудой, составляющей 10% номинального давления, могут вызывать колебания тяги РДТТ в 20—100% по отношению к номиналу. Это связано с тем, что волна давления действует на всю площадь заднего днища камеры сгорания, тогда как номинальная тяга определяется номинальным рабочим давлением и площадью критического сечения сопла (а также коэффициентом тяги, равным 1,1-1,5). Такие колебания могут приводить к вибрациям конструкции ракеты и поставить под угрозу функционирование большинства бортовых систем. Основные различия между продольными и поперечными колебаниями состоят в следующем.

1. Подавление продольных мод колебаний полем течения в сопле намного эффективнее, чем поперечных.

2. Эффективность демпфирования колебаний конденсированными продуктами сгорания, такими, как намного ниже для низкочастотных продольных мод.

3. Колебания газа ориентированы главным образом параллельно поверхности горения и участвуют в сложном взаимодействии с зоной горения, расположенной вблизи стенок внутрикамерной полости. По-видимому, этот эффект более важен для продольных мод колебаний, чем для поперечных.

4. Продольные колебания ориентированы в том же направлении, что и осредненное течение продуктов сгорания, и представляют собой флуктуации относительно средней скорости потока. Колебания большой амплитуды могут привести к обращению потока или к значительным пульсациям скорости в направлении потока.

5. При распространении в полости камеры сгорания продольных колебаний существует тенденция к появлению волн с крутыми фронтами, напоминающими ударные волны.

Детальному обсуждению экспериментальных результатов, полученных разными авторами, и проверке их соответствия

теоретическим моделям посвящена работа [136]. В обзоре [166] проведен теоретический анализ неустойчивости горения в РДТТ. Используются уравнения сохранения для анализа распространения волн в камере сгорания и метод малых возмущений для изучения усиления и демпфирования различных мод колебаний. Детально описана модель для анализа отклика процесса горения ТРТ на колебания давления в камере. Приведен обзор исследований демпфирующего действия сопла и конденсированных частиц в потоке продуктов горения. Даны примеры расчета границ линейной устойчивости, обсуждаются неакустические и нелинейные колебания.

Наконец, следует отметить статьи [24, 25], в которых изучается влияние разброса состава и размера частиц ПХА на устойчивость горения смесевых твердых топлив.