Устойчивость горения В начало

Пожалуй, самый болезненный момент для этого топлива. Для начала оценить устойчивость горения этого топлива в свободном виде без корпусов.

Очень интересный эксперимент, на котором хорошо видно, что это топливо не горит устойчиво при атмосферном давлении. Но как же простенькие торцевые шашки, в которых было уже столько замеров на скорость горения сделано и ни одна не заглохла? Это можно объяснить лишь тем, что горение этого топлива даже в простой торцевой шашке без сопла идёт уже под небольшим избыточным давлением, где абсолютное давление лишь немного превосходит атмосферное на несколько процентов. Этого давления уже достаточно для устойчивого горения. Однако, в двигателях Р-40 то и дело наблюдалось аномальное неустойчивое горение, но топливо полностью не затухало, а вспыхивало вновь, пока всё не сгорит.

На данный момент с появлением более новой литературы, в которой более детально описаны стационарные и нестационарные процессы работы РДТТ удалось получить значительные знания в области устойчивости горения ТРТ. В лучшем случае можно было найти книжку, в которой довольно поверхностно описывалось явление устойчивой работы РДТТ, где об этом лишь упоминалось, не углубляясь в суть проблемы. Поэтому мой выбор остановился на двух источниках:

• Абугов Д. И., Бобылев В. М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. Учебник для машиностроительных вузов.—М.: Машиностроение, 1987.—272с.: ил.
• Шапиро Я. М., Мазинг Г. Ю., Прудников Н. Е. Теория ракетного двигателя на твердом топливе.—М., Воениздат, 1966г. 266с.

В приведённой литературе хорошо описана суть инерционности переходных процессов горения ТРТ, связанных со скоростью изменения прогрева слоя топлива. Приводится предельное значение давления Pпр, являющейся границей устойчивой работы РДТТ. Но итоговые выводы по практическому устранению низкочастотной неустойчивости горения совсем не совпадают с предложенными ранее мне Serge77: «SashaPro, есть твёрдо установленный профессиональными пороховиками факт: большинство топлив имеют интервал давлений, в котором они горят нестабильно. Обычно нижняя граница интервала - это где-то 3-5-10 атм, а верхняя - 20-30-50 атм, а то и выше. Ниже и выше этих границ горение стабильное. Эти границы для конкретного топлива зависят от геометрии шашки и двигателя. Например, в торцевом двигателе горение более стабильно, чем в канальном… Все ракетчики лечат нестабильное горение повышением давления. Это просто азбука.» [ссылка] А вот что в книжках: «Из формул (9.33) и (9.36) видно, что практическими мерами по устранению низкочастотной неустойчивости рабочего процесса РДТТ являются: уменьшение объёмного заполнения камеры РДТТ топливом, увеличение времени работы двигателя (или снижение его тяги), а также увеличение скорости горения и уменьшение показателя применяемого ТРТ» [2, стр. 142].

Испытания бессопловых шашек и двигателей с более высоким давлением показывало только одно – неустойчивость давления в камере РДТТ никуда не девалась и может наблюдаться и при низком давлении и при среднем и возможно при ещё более высоком. Но где предел высокого давления? Испытания двигателей Р-20 и Р-40 показали, что горение данного топлива очень чувствительно к давлению. Уже при критическом сечении 12мм тяга у Р-40 будет всего несколько сот грамм. При критическом диаметре 8мм тяга составляет примерно 10кГ при 2025атм. Что же будет, если сделать диаметр критического сечения 6мм? Вполне вероятно, что давление может превысить 100атм и весьма значительно. При этом корпус не выдержит, а упрочнять его придётся во много раз, что не является разумным решением проблемы. Пытаться удержать стабильную работу такого двигателя на таком огромном давлении в пределах диаметра критического сечения 6мм±0,5мм – задача почти невыполнимая и заведомо обреченная. В книжке даётся совсем другой совет – повысить время работы двигателя, за счёт снижения тяги и соответственно снижения давления в двигателе. Парадокс! Но на практике в результате разгара критического сечения у двигателей Р-40 действительно наблюдается более устойчивое горение, что соответствует ещё и второму совету из книжки – уменьшение объёмного заполнения камеры РДТТ топливом.

Но всё это лишь поверхностные выводы. Оказывается, эти советы даны для широкого случая работы РДТТ, например, для желающих использовать многорежимные РДТТ с быстроменяющимся законом тяги или даже скачкообразным. Но у меня нет такого желания. Мне нужен двигатель с постоянной тягой или прогрессирующей примерно в 1,5раза плавно и равномерно в течение всего времени работы двигателя. Тогда из-за чего происходит быстрое изменение давления в камере сгорания двигателей Р-40 да ещё и совершенно случайным образом?

Нестационарными называются неустановившиеся процессы работы РДТТ при переходе от одного стационарного или квазистационарного состояния к другому. Такими процессами являются:

1. Воспламенение заряда ТРТ и выход двигателя на стационарный режим работы при запуске РДТТ;
2. Переход с одного стационарного режима работы на другой многорежимных РДТТ;
3. Период последействия после выгорания топлива РДТТ;
4. Обнуление и реверс тяги;
5. Отсечка тяги с гашением топливного заряда.

Есть следующие версии резкой потери давления в двигателях Р-40:

1. Радиальное растрескивание скреплённого заряда и резкое развитие эрозионного горения в трещинах, приводящее к быстрому неконтролируемому росту давления в камере сгорания.
2. Разгерметизация корпуса.
3. При воспламенении и резком выходе двигателя на режим, из-за спада с начального скачка давления.
4. Сильное оплавление поверхности топлива при длительном воспламенении, приводящее к непостоянству толщины прогреваемого слоя топлива при наборе давления до режимного.
5. Потеря фрагментов корпуса двигателя во время работы (новая версия).

Первая версия применялась к результатам испытания двигателя Р-40-2 для объяснения причин его разрушения. Для решения данной проблемы во всех следующих двигателях было использовано секторное деление скреплённого заряда с помощью радиальных перегородок вдоль всего корпуса двигателя.

Разгерметизация корпусов двигателей Р-40 то и дело давала о себе знать, что приводило к непредвиденной отсечке тяги. По ходу отработки технологии сборки корпуса постоянно возникали неприятные моменты, которые только в последних двигателях Р-40 удалось полностью устранить.

Третья версия отрабатывалась до испытания двигателя Р-40-13, когда удалось добиться неинерционной работы стенда, эта версия отпала, так как снижение давления с начального скачка было не сильным, так же как и скорость набора и сброса давления в скачке оказались в пределах нормы. Двигатель продолжил работать дальше ещё 3с, что только утверждает состоятельность применение плавной системы газового воспламенения, не приводящей к резкому возгоранию топлива и добавочному давлению от горения самого воспламенителя.

Версия с расплавленным слоем топлива при воспламенении была наиболее вероятной при попытках объяснить спонтанное самозатухание топливного заряда двигателей Р-40 при их воспламенении. Применялись самые разнообразные схемы воспламенения, но добиться хоть сколько-нибудь прогнозируемого результата работы двигателя не удалось. Давление по-прежнему сбрасывалась совершенно необъяснимым и случайным образом.

Последующее более внимательное изучение процессов горения и работы двигателей привело к появлению ещё одной версии резкого снижения давления в двигателе, связанной с хаотичной потерей фрагментов корпуса под давлением. Подробнее…

На данный момент устойчивая работа двигателей на этом топливе находится в стадии испытаний.

Последние испытания доказали, что неустойчивая работа двигателя была вызвана неизотропностью свойств материала сопла – силикатного ватмана. Мистический интервал неустойчивого горения топлива так и не был найден ни на практике, ни в теории. Более того, в литературных источниках указывают крайний интервал или границу устойчивого горения, ниже которой горение нестабильно на всех давлениях до нуля, а выше стабильно. Эту границу удалось определить, для этого топлива она составляет 1атм в абсолютном значении. Причём это не удивительная цифра, так как значения от 0,5атм до 3атм вполне нормальны для большинства смесевых топлив. Многие топлива могут заглохнуть в вакууме, но в атмосфере уже горят стабильно.

Литература:

1. Позин М.Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот), часть 1 и 2, изд. 4-е, испр. Л., Издательство «Химия», 1974.
2. Абугов Д. И., Бобылев В. М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. Учебник для машиностроительных вузов.—М.: Машиностроение, 1987.—272с.: ил.
3. Шапиро Я. М., Мазинг Г. Ю., Прудников Н. Е. Теория ракетного двигателя на твердом топливе.—М., Воениздат, 1966г. 266с.