Газодинамические схемы старта. Характеристика газодинамических процессов при старте ракет, страница 2

I участок – участок эжектируемого потока.

Явление эжекции связано с вовлечение в движение той части воздушной среды, которая находится в районе донной поверхности ракеты. Часть воздуха, прилегающая к границе струи выхлопных газов, силами вязкого трения вовлекается в истекающую струю, смешиваясь с выхлопными газами. Такое воздействие приводит к созданию разрежения в той области, откуда уносится окружающий воздух. Эжектируемый газовой струей воздух постепенно смешивается с выхлопными газами. Между областью разрежения и наружным покоящимся воздухом вне установки возникает перепад давления, что приводит к возникновению в кольцевом зазоре между ракетой и пусковым стаканом потока воздуха (эжектируемого потока). Структура потока обязательно включает циркуляционные зоны вблизи верхней части зазора.

При внезапном сужении потока, поступающие в канал, те слои газа, которые движутся вне канала под различными углами, не могут изменить движение мгновенно на 90⁰, поэтому поворот происходит постепенно, что объясняет действия инерциальных сил, т.к. воздух имеет некоторую массу. Около кромки отверстия это поворот создает циркуляционную зону. Эти искривленные линии тока поступающей массы воздуха эжектируют ту часть газа, которая находится между линиями тока и стенками, в результате в этой области создается разрежение. Эти зоны создают рециркуляционные вихри. В этом районе давление понижается и по длине этих зон давление изменяется: давление уменьшается до значения, меньше атмосферного. Учет этих зон необходим для того, чтобы учитывать преобразование тепловой энергии, кинетической и потенциальной, которое связано с повышением тепловой энергии и понижением кинетической и потенциальной, что приводит к преобразованию полной энергии, содержащейся в эжектируемом  потоке.

Отметим, что полная удельная энергия потока газа (полная удельная энтальпия) равна

Н = с_vТ + р/ρ + U²/2,

где с_vТ – удельная внутренняя энергии; р/ρ – работа сил проталкивания (удельная потенциальная энергия); U²/2 – удельная кинетическая энергия.

В районе циркуляционных зон течение в поперечных сечениях существенно неравномерно. Эта неравномерность исчезает ниже циркуляционных зон, т.к. силами вязкого трения скорости в поперечных сечениях становятся одинаковыми, т.е. поток становится равномерным, а его параметры изменяются только по длине (в продольном направлении).

На выходе из зазора изменением параметров в поперечном направлении можно пренебречь. В связи с этим одной из важнейших характеристик течения является коэффициент эжекции:, где  – секундный расход эжектируемого (подсасываемого в газовую струю) газа,  – секундный расход газа через сопло.

II участок – участок смешения эжектируемого и эжектирующего потоков (сложное движение газа с образованием скачков уплотнения).

Характер распределения параметров на этом участке очень близок к свободной струе в той ее части, которая «вырезается» стенками пускового стакана. На этом участке происходит физико-химическое взаимодействие между кислородом поступающим вместе с с эжектируемым потоком и выхлопными газами. Как правило выхлопные газы содержат недоокисленные компоненты, потому что для многих ракетных топлив предусматривается некоторый недостаток окислителя и, следовательно, избыток горючих элементов, чтобы вырос удельный импульс топлива (СО и др.), поэтому при смешении с кислородом недоокисленные компоненты догорают. Второй причиной физико-химического взаимодействия компонентов окислителя-горючего является высокая температура газа в камере сгорания. При этой температуре возникает реакция диссоциации (температура газа при этом уменьшается, так как на эту реакцию требуется определенное количество энергии), наличие этих реакций приводит к образованию атомарного водорода и кислорода.

Наличие химических реакций существенно влияет на температуру газа на втором участке. Это существенный фактор (так как эта температура может превышать температуру с камере сгорания) и его необходимо учитывать при разработке математических моделей процессов. Неучет этого фактора не влияет на распределение статического давления в потоке, следовательно, определение динамических параметров без учета температурного фактора не вносит существенной ошибки в расчет силового воздействия струи на конструктивные элементы пусковой установки и ракеты. Ошибка в этом случае возникает при проведении термопрочностных расчетов.

По мере подъема ракеты параметры потока в нижнем сечении пускового стакана начинают выравниваться, и когда сопла ракеты находятся в верхней части пускового стакана, то неравномерностью распределения в нижнем сечении можно пренебречь, то есть считать во всех точках выходного сечения пускового стакана параметрами потока одинаковыми.

III участок – участок разворота потока.

Вблизи наружных стенок возникают мощные циркулирующие зоны, но их размер примерно одинаковый, если этот размер выразить в поперечных размерах кольцевого газохода. Существенная неравномерность потока наблюдается примерно на 1/3 высоты шахты. Выше этих циркулирующих зон параметры потока в поперечных сечениях кольцевого газохода быстро выравниваются и в верхней части неравномерностью распределений параметров в поперечных сечениях можно пренебречь. Такая структура потока определяет изменение статического давления вдоль газохода: в нижней части шахты статическое давление в газоходе становится ниже атмосферного, а в верхней части перед газоотводящими решетками давление становится больше атмосферного. Если посмотреть изменение статического давления внутри пускового стакана (между стенками пускового стакана и корпусом ракеты), то давление внутри на стенки стакана будет возрастать и наибольшее давление устанавливается в его нижнем сечении. Статическое давление в пусковом стакане в зазоре между корпусом ракеты и стенками становится ниже атмосферного  (вследствие понижения давления в результате эжекции), а в нижнем сечении пускового стакана оно становится выше атмосферного в 2-3 раза (вследствие воздействия струи при взаимодействии со стенками). Поэтому для прочностных расчетов данная физическая картина течения вполне приемлема для разработанной математической модели.

Допущения:

Считать тракт теплоизолированным, т.е. пренебречь уменьшение внутренней энергии газового потока в связи с нагревом стенок шахты (т.к. время пребывания секундной массы газа внутри тракта шахты очень мало).

Влиянием трением потока на параметр газа о стенки пускового стакана также можно пренебречь в виду малой гидравлической длины этого тракта (примерно 10 диаметров). Трение необходимо учитывать, если гидравлическая длина больше 100 диаметров.

Расчет и построение математической модели проводится в 2 этапа:

1. Считается условно заданным коэффициент эжекции.

2. Принимаем истинный коэффициент эжекции и отказываемся от 1-ого этапа.

Об определении коэффициента местного сопротивления