6.2. ВНУТРЕННЯЯ БАЛЛИСТИКА

Заряд бессоплового РДТТ обычно выполняется в форме цилиндра с соосным внутренним цилиндрическим каналом. Поскольку в такой конфигурации отсутствует критическое сечение, давление в камере будет уменьшаться со временем, а тяга тем не менее может поддерживаться приблизительно постоянной вследствие непрерывного увеличения площади поверхности горения (рис. 71). Существует возможность программирования тяги, например, бронировкой заднего торца заряда или введением компенсирующих поверхностей в виде обратного внутреннего конуса в задней части центрального канала.

Разработаны [66], а позднее модернизированы [126, 142]

Рис. 71. Типичные кривые давление — время и тяга — время для бессоплового ускорителя [141].

программы внутреннебаллистических расчетов бессопловых РДТТ. Существует, однако, еще ряд недостаточно понятых явлений, что ограничивает возможности и точность этих программ. К таким явлениям относятся: 1) полнота сгорания, расчет которой опирается на соотношения для горения одиночной частицы, 2) эрозионное горение и 3) деформация заряда ТРТ, для расчета которой используется упрощенное линейное соотношение статической теории. Как следствие этого, в программу необходимо вводить большое число эмпирических констант (в одном из случаев — 15). Установлено, что наиболее важными из них являются константы, описывающие эрозионное горение, деформацию заряда, размер частиц металлического ингредиента в рецептуре топлива и величину эффективного снижения температуры горения вследствие неполного сгорания. Даже если отсутствуют исходные данные о двигателе, баллистический расчет [142] дает значения полного импульса и времени горения с точностью в пределах 3—4%, но для стадии воспламенения ТРТ погрешность величины давления в камере может достигать 15%. Если же имеются данные опытных сжиганий топлива той же рецептуры (не обязательно той же геометрии заряда), то прогнозы могут быть улучшены: для погрешность составит до 1-1,5%, а для других баллистических параметров — до 5%. Данные табл. 9 свидетельствуют о том, что для главных характеристических параметров двигателя, таких, как расчеты дают приемлемые результаты (с погрешностью меньше 2%) при сравнении с экспериментами,

Таблица 9. (см. скан) Сопоставление расчетных и экспериментальных данных бессопловых РДТТ [141]

тогда как для максимальных давления, тяги и времени работы двигателя погрешности значительно больше, особенно в случае крупных ускорителей. В табл. 10 и на рис. 72 приведены некоторые имеющиеся данные для трех типов топлив: ПБКГГ/А1, ПБКГГ с пониженным дымовым выходом и ПБКГГ/цирконий (окислитель — во всех случаях ПХА) при различных конфигурациях заряда [141]. Можно сделать следующие общие выводы, которые подтверждаются также работами французских исследователей [126, 167].

1. В случае ТРТ с пониженной дымностью можно достичь более эффективного сгорания и более высоких баллистических характеристик, используя их в двигателях с высокими скоростями горения и высоким отношением Максимальное относительное значение удельного импульса двигателя в бессопловом исполнении достигается при достаточно короткой длине, когда участок, замещающий сопловой блок, занимает еще значительную часть полного объема камеры. Тем не менее приблизительно 10% полного отличия максимального удельного импульса,

Рис. 72. Зависимость относительного удельного импульса от среднего давления в РДТТ [141]. Номера у точек соответствуют РДТТ табл. 10.

Таблица 10. (см. скан) Сводная таблица параметров РДТТ [141]

достижимого в бессопловом двигателе с ТРТ пониженной дымности, и удельного импульса в двигателе с соплом, не может быть компенсировано. Это означает, что, хотя и существует возможность значительно изменить показатель степени в законе горения топлива, такое решение при или все же не приводит к значительному росту баллистических характеристик двигателя вследствие растущих потерь. К счастью, указанные крайние случаи обычно бывают редкими по другим причинам.

2. Для систем с металлосодержащим ТРТ важен другой эффект — горение частиц, — который связан с временем пребывания, давлением в камере и размером двигателя. При прочих

равных условиях полноразмерный РДТТ, снаряженный металлосодержащим топливом, будет обеспечивать больший удельный импульс, чем двигатель меньших размеров (за исключением тех случаев, когда металлические частицы достаточно малы, чтобы сгореть в нем полностью). Минорантная экстраполяция кривой удельного импульса, полученной для малоразмерных РДТТ с алюминизированным топливом, показывает, что а) достижимая полнота удельного импульса для современных топлив обычно не превышает 89%; б) можно повысить экономичность еще на 2—4% дальнейшим регулированием показателя степени в законе скорости горения и других физических свойств.

3. Для ТРТ с присадками циркония на основе результатов огневых испытаний РДТТ в сопловом и бессопловом исполнении, обнаруживших сильную зависимость от размера двигателя и среднего рабочего давления, ожидается, что полноразмерный двигатель будет иметь удельный импульс, составляющий ~90% от удельного импульса двигателя с сопловым блоком, причем верхний предел для оптимизированной системы составит 91—92%.

4. За исключением указанных выше случаев предельных по конфигурации двигателей, все три рассматриваемые топливные системы допускают бессопловое исполнение двигателя, которое при ограничениях на объем будет давать больший удельный импульс, чем сопловой вариант РДТТ. Единственным возможным недостатком является то, что для высокоплотной топливной системы с присадкой циркония оптимизированный бессопловый двигатель может оказаться тяжелее двигателя с соплом почти на 20%.

Помимо геометрии камеры сгорания и скорости горения ТРТ существуют другие факторы, влияющие на параметры бессоплового двигателя. Среди них — толщина свода горения, которая определяется свойствами ТРТ (способностью деформироваться без разрушения), показатель степени в законе горения и точная геометрическая форма внутреннего канала. Как правило, при отношении внешнего диаметра заряда к внутреннему, равном 3, плотность заряжания достаточна, чтобы бессопловый двигатель имел характеристики, сравнимые с обычным РДТТ. Для получения более высоких характеристик желательно утолщать свод горения, однако на этом пути возникают ограничения, связанные с механическими свойствами топлива.

Другим важным параметром, учитываемым при проектировании РДТТ, является показатель степени в законе скорости горения. Как следует из рис. 73, уменьшение этого параметра приводит к снижению пика давления при воспламенении заряда (т.е. к снижению нагрузки на конструкцию двигателя и максимального рабочего давления в камере), но в то же

время — к возрастанию давления и характеристик экономичности на заключительном этапе работы двигателя (т. е. к увеличению среднего рабочего давления в камере, что влечет за собой приближение кривых импульсов и тяги к нейтральной форме). В приведенных на рис. 73 диаграммах тяги и давления в камере для твердотопливного ускорителя диаметром 0,4 м и длиной снижение показателя степени в законе горения ТРТ с 0,48 до 0,28 приводит к увеличению полного импульса на 3% и снижению максимального давления на 7%. На рис. 74 показаны аналогичные результаты, полученные в работе [126].

В дополнение к перечисленным важнейшим параметрам РДТТ существуют некоторые приемы, с помощью которых можно уменьшить влияние регулирующих параметров на максимальное давление, время горения и нейтральность кривой тяги. К их числу относятся создание компенсирующих поверхностей в канале заряда, изменение длины и формы компенсирующего выходного конуса, изменение вязкоупругих свойств топлива. Поскольку деформация заряда определяется свойствами ТРТ, при определенных обстоятельствах это можно использовать для компенсации изменений во внутренней баллистике двигателя, модифицируя физические свойства топлива. Такое влияние механических характеристик ТРТ на параметры рабочего процесса проявляется и в меньшей температурной чувствительности двигателя бессопловой конструкции. Канал заряда в бессопловых РДТТ сам формирует сопло двигателя, и при высоких температурах топливо больше деформируется, расширяя канал,

Рис. 73. Влияние показателя степени в законе скорости горения на давление в камере сгорания и тягу твердотопливного ракетно-прямоточного ускорителя (в относительных единицах).

Рис. 74. Влияние показателя степени в законе скорости горения на форму характеристики бессоплового РДТТ

что приводит к частичной компенсации увеличения скорости горения. Вследствие повышенной жесткости топлива при низких температурах канал остается более узким, что частично компенсирует снижение скорости горения топлива.

Благодаря этим эффектам температурная чувствительность бессопловых двигателей составляет, как правило, лишь 50— 65% чувствительности РДТТ с сопловым блоком (рис. 75).