Научная электронная библиотека ULRICH'S Periodicals Directory

Сибирский государственный университет
науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева

Сибирский аэрокосмический журнал
ISSN 2712-8970 (Print) ISSN 2782-5760 (on-line)

Сведения об образовательной организации

UDK 628.7.036.54 – 662.61 Doi: 10.31772/2712-8970-2021-22-2-302-315
Методика определения акустических характеристик камер сгорания ракетного двигателя твердого топлива
Астахов С. А., Бирюков В. И., Сизов Г. А.
Федеральное казенное предприятие «Государственный казенный научно-испытательный полигон авиационных систем»; Российская Федерация, 140250, Московская обл., п. Белозерский. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет); Российская Федерация, 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.
С проблемой акустической неустойчивости горения сталкиваются многие разработчики новых ракетных двигателей твердого топлива больших тяг. Явление резонансного горения твердого топлива сопряжено с рядом специфических особенностей. Полости камер сгорания таких двигателей имеют сложные геометрические формы. Газовый канал выполняется достаточно протяженным. Его длина обычно превышает пять и более калибров. Толщина фронта пламени измеряется микро-метрами и зона горения локализуется по открытой поверхности топлива. Фронт пламени зачастую оказывается способным усиливать возмущения давления на частоте одной из собственных акустических мод, если пучность волны приходится на тонкую зону горения. Колебательный про-цесс может быть регулярным или спорадическим. Чаще всего наблюдаются резонансы продольной акустической моды. Однако встречались случаи колебания одновременно двух мод. В некоторых случаях в процессе работы двигателя амплитуда возникших колебаний начинала уменьшаться и процесс горения становился почти квазистационарным. Автоколебательные процессы в камерах сгорания РДТТ имеют пороговую чувствительность к забросам давления. Амплитуды колебаний могут составлять несколько десятков процентов, порой достигая номинального рабочего давления в камере. Амплитудно-частотные характеристики колебаний чувствительны к составу топлива, откликаясь на изменения химического состава, а также и на механические свойства топлива. Области неустойчивых режимов определенно связаны с геометрией газовой полости. Вместе с колебаниями давления на процесс горения влияют газодинамические факторы, существенная не-равномерность параметров газового потока по длине канала, его турбулентность и другие факторы. При проектировании РДТТ необходима оценка частот собственных акустических резонансов камер сгорания. В статье рассматривается методика определения частот собственных резонансов первого и второго тона продольной моды акустических колебаний в камерах сгорания ракетных двигателей твердого топлива. Газовый тракт камеры сгорания разбивается на однородные участки, для которых представлены решения волнового уравнения. Для определения собственных частот и распределения колебательных давлений и скоростей использован метод «сшивания» акустических полей на границах полостей.
Ключевые слова: акустические колебания, продольная мода, частота, декремент затухания, волновое число, добротность.
References

1.   Теория нестационарного горения пороха / Я. Б. Зельдович, Г. И. Баренблатт, В. Б. Либрович, Г. М. Михвиладзе. М. : Наука,1980. 478 с. 

2.   Абугов Д. И., Бобылев В. М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива : учебник для машиностроительных вузов. М. : Машиностроение, 1987. 272 с.

3.   Коутс Ф. Л., Хартон М. Д. Анализ устойчивости рабочего процесса при проектировании РДТТ // Вопросы ракетной техники. 1969. № 7. С. 11–28. 

4.   Баррер М., Надо Л., Люйнер И. Исследования неустойчивости горения топлив РДТТ // Вопросы ракетной техники. 1973. № 7. С. 10–28.

5.   Блохинцев Д. И. Акустика неоднородной движущейся среды. М. : Наука,1966. 205 с. 

6.   Дорошенко В. Е., Фурлетов В. И. О воздействии звука на турбулентное пламя // Физика горения и взрыва. 1969. № 1. С. 114–121.

7.   Бирюков В. И., Мосолов С. В. Акустика газовых трактов жидкостных ракетных двигателей. М. : Изд-во МАИ, 2013. 164 с.

8.   Бирюков В. И., Мосолов С. В. Динамика газовых трактов жидкостных ракетных двигателей. М. : Изд-во МАИ, 2016. 168 с.

9.   Biryukov V. I., Nazarov V. P., Tsarapkin R. A. The Algorithm for Estimating Reserves of the Working Process Stability in Combustion Chambers of Liquid-Propellant Rocket Engines // Сибирскийжурналнаукиитехнологий. 2017. Vol. 18, No. 3. P. 558–566.

10.  Biryukov V. I., Tsarapkin R. A. Damping Decrements in the Combustion Chambers of Liquid-Propellant Rocket Engines // Russian Engineering Research. 2019. Vol. 39, No. 1. Р. 6–12. 

11.  Biryukov V. I., Ivanov V. N., Tsarapkin R. A. Method for Predicting the Stability Limit to Acoustic Oscillations in Liquid – Propellant Rocket Engine Combustion Chambers Based on Combustion Noise // Fizika Goreniya i Vzryva. 2021.Vol. 57, No. 1. P. 80–89.

12.  Царапкин Р. А., Бирюков В. И. Экспериментальное определение декрементов затухания в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей // Вестник машиностроения. 2018. № 10. С. 21–27.

13.  Осипов А. А. Распространение трехмерных акустических возмущений в каналах переменной площади поперечного сечения при частотах, близких к частоте отсечки // Известия АН СССР. Серия Механика жидкости и газа. 1980. № 6. С. 149–159.

14.  Руденко А. Н. Экспериментальное исследование частотных характеристик сопел по отношению к продольным и поперечным колебаниям // Акустический журнал. 1979. Т. 20, № 6. С. 897–906.

15.  Sukhinin S. V., Akhmadeev V. F. Self Oscillations in the Gas Cavity of a Solid Rocket Motor // Fizika Goreniya i Vzryva Combustion. 2001. Vol. 37, No. 1. P. 42–52.


Астахов Сергей Анатольевич – кандидат технических наук, директор; федеральное казенное предприятие «Государственный казенный научно-испытательный полигон авиационных систем». E-mail: saastahov@yandex.ru.

Бирюков Василий Иванович – доктор технических наук, профессор; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). E-mail: aviatex@mail.ru.

Сизов Георгий Алексеевич – аспирант, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). E-mail: georgisiz1994@gmail.com.


  Методика определения акустических характеристик камер сгорания ракетного двигателя твердого топлива