Газодинамические схемы старта. Характеристика газодинамических процессов при старте ракет

Газодинамические схемы старта

Рассмотрим некоторые схемы старта ракеты.

1.  ШПУ с изолированным газоходом (по проекту Рудяка) 

            1 – Пусковой стакан

2 – Бетонный ствол шахты

3–  Газоотражатель

4 – Газоповоротные решетки

5 – Изолированные газоходы

6 – Направляющие

2.  Минометный старт

 Достоинство: топливо используется рационально.

2 – Бетонный ствол шахты

6 – Поддон

3.  Американская схема

Твердотопливная ракета.

Достоинство: дешевле (нет пускового стакана).

4. Подвижные пусковые установки

5 – ТПК, 6 – поддон

Левый рисунок ­– проточная схема старта, правый – минометный старт из контейнера.

Характеристика газодинамических процессов при старте ракет

При старте ракет развивается сложный газодинамические процесс, в котором можно выделить следующие стадии:

– нестационарный процесс (в точке течения параметры существенно зависят от времени). Время в них является коротким, т.к. длительность процесса 0,01….0,1 сек; возникает в период выхода на режим и раскупорки контейнера при минометном старте возникают ударные волны, которые, распространяясь в окрестности пусковой установки, создают существенные нагрузки как на ракету, так и на конструктивные элементы ПУ.  Давление в ударных волнах, как правило, находится в пределах от 2...8 атм. Учет таких нагрузок необходим при проектировании, однако теория расчета таких процессов, которые длятся так мало, еще не создана. В некоторых методах расчета присутствуют имперические и полуимперические формулы. Поэтому важное значение при учете таких явлений является эксперимент, который проводится на разномасштабных моделях. Результаты расчета с помощью  сеточных методов интегрирования уравнений газодинамики в частных производных нуждаются в подтверждении экспериментами.

– квазистационарный процесс  (условно – стационарный процесс). Он развивается в период выхода двигателя на режим и в течении газа определяется распространение слабых волн сжатия-разряжения. Такая скорость распространения волн на порядки отличается от скорости движения изделия, т.к. в подавляющем большинстве случаев скорость движения ракеты равна 25-30м/с (скорость распространения волн давления примерно равна 340 м/с). Слабые волны разряжения-сжатия возникают при изменении положения ракеты относительно ПУ., т.е. зависит от геометрии системы ракета-ПУ. Поток при изменении этой геометрии успевает практически без задержек подстраиваться под новое положение ракеты относительно ПУ. Зависимость параметров квазистационарного процесса от времени может быть учтена с помощью методов стационарной газодинамики. Для каждого положения ракеты можно считать поток стационарным. Расчет производится по правилу: считать, что в некотором положении ракеты создается новый стационарный процесс и параметры потока. Выбирая несколько положений относительно ПУ, можно определить соответствующие параметры течения газа. В некоторой точке этого течения поток будет зависеть от времени, поскольку параметры потока будут зависеть от положения ракета – ПУ. Так как время выхода двигателя на режим очень мало, то нагрузки, создаваемые струей на элементы стартового оборудования и ракету, будут наибольшими именно в период квазистационарных процессов. Однако, это не означает, что в нестационарной фазе нагрузки могут быть неопасны для старта ракеты, т.к. схема приложения нагрузок будет разная в начальный и основной период, где основным – отвечает квацистационарный период старта.

– третий тип процесса, теория, которая наиболее сложная связана с появлением, как в начальной фазе стационарных процессов, так и нестационарной фазе акустических процессов. Они генерируются турбулентностью, колебаниями скачков уплотнения в струе и нестационарных процессов горения топлива в камерах сгорания. Амплитуда их очень мала. Опасность акустических волн состоит в их частоте (нижний предел частоты можно считать, равным 50 Гц), которая может совпасть с частотой собственных колебаний конструкции, что приведет к резонансу.

Помимо рассмотренных процессов при смещении выхлопных газов с окружающим воздухом возникают химические реакции, связанные с тем, что в продуктах сгорания топлива, истекающих из сопел ракеты присутствуют недоокисленные компоненты (СО, Н₂), т.к. для повышения тяги двигателя в камере сгорания смешение окислителя с горючим происходит с избытком последнего. Температура при смешения выхлопных газов с воздухом может быть больше температуры в камере сгорания. Расчет газодинамических процессов не до конца разработан (лучше разработан для квазистационарных процессов).

Строгая теория расчета была бы создана, если бы была разработана строгая физико-математическая модель турбулентности. Теория расчета основывается, прежде всего, на экспериментальном исследовании физической картины течения газа при старте. Экспериментальное изучение проводится, прежде всего, с помощью малых моделей. В результате экспериментального исследования выясняется физическая картина течения. При проведения экспериментального исследования учитывается, какие факторы существенно влияют на процесс и незначительно, чтобы с большей достоверностью смоделировать процесс. На основе полученных результатов можно создать содержательное описание газодинамического процесса, где перечисляются факторы, существенно влияющие на процесс. Это описание и рассматривается как физическая модель процесса, и на его основании предлагаются варианты математических моделей процесса, создаются пробные модели и варианты расчета и полученные результаты снова проверяются экспериментально. Экспериментальное исследование связано с большими затратами времени и высокой стоимостью (подготовка, проведение эксперимента, обработка полученных результатов), так как математические модели создаются последовательно уточнениями, то создание математических моделей тоже трудоемкий процесс. В этих случаях важное значение имеет масштабный фактор, так как установлено, что результаты, полученные на натурных ПУ, и на масштабных будут отличаться. При этом результаты, чем модель более маломасштабная, тем больше будет отличие от результатов, полученных на натурных ПУ.

Физическая модель квазистационарных процессов в ШПУ и изолированными

 газоходами

Физическая модель – качественное описание газодинамических процессов существенных и малосущественных факторов физических процессов. Рассмотрим ШПУ с изолированными газоходами.