Файл: Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей.pdf

На рис. 1.42 приведены кривые располагаемого ар и потреб­ ного ап значений коэффициента демпфирования корпуса ракеты в зависимости от безразмерного времени ее полета t [61]. На рис. 1.42, а приведены кривые а п(г) при различных значениях относительной собственной частоты колебаний жидкости в топ­

Рлс. 1.42. Результаты 'расчетов продольной устойчивости раке­ ты:

а — кривые потребных н располагаемых значений коэффициента демп­ фирования корпуса; б —кривая изменения собственной частоты кор­ пуса по времени полета

ставлена кривая изменения относительной собственной частоты

Сопоставление кривых / к(і) и ап(г) показывает, что ап при­ нимает максимальное значение при /к= /ж, т. е. при собственной частоте корпуса, совпадающей с резонансной частотой жидко­ сти в топливоподающем тракте. Вблизи этой частоты система теряет устойчивость, так как ап> а р.

На рис. 1.42, а приведены кривые потребных значений коэф­ фициента демпфирования ап для четырех значений собствен­ ной частоты жидкости в трубопроводе / ж = 0,9; 1,1; 1,4 и 2,0. Относительная частота колебаний корпуса / к изменяется за вре­ мя полета от 1 до 2. При достаточно низких или высоких значе­ ниях собственной частоты колебаний жидкости, лежащих вне диапазона изменения частоты корпуса, во время полета (т. е.

зуется для устранения автоколебаний.

64

Изменение динамических характеристик топливоподающего тракта, необходимое для стабилизации ракеты по отношению к продольным колебаниям корпуса, может быть осуществлено не­ сколькими способами [69]: путем снижения давления на входе в насос *, дросселированием топливоподающего тракта, вводом в

компонент газа для снижения скорости звука, установкой акку­ мулятора давления (демпфера) с сосредоточенной упругостью на выходе из топливоподающего тракта. Наиболее эффективным оказался способ стабилизации с помощью демпфера, подклю­ ченного к магистрали вблизи входа в ТНА.

Используются следующие варианты конструкции демпферов [69]: с поршнем (рис. 1.43), с газовой емкостью без разделителя («газовой ловушкой» — рис. 1.44) и с разделителями между газовой полостью и жидким компонентом в виде металлическо­ го сильфона (рис. 1.45) или упругих баллончиков из резины или пластика. ^

При всех вариантах конструкции демпфера основной его характерстикой является податливость — изменение объема при увеличении давления. Потребное значение податливости демп­ фера определяется из условия, что собственная частота гидрав­ лического тракта с демпфером должна быть меньшечастоты продольных колебаний корпуса ракеты (первый тон) в начале полета.

* Это увеличивает объем кавитационной каверны, что приводит к умень­ шению собственной частоты жидкости в тракте.

Проблема продольной устойчивости усугубляется по мере роста масштаба ракет. Для анализа продольной устойчивости важное значение имеют динамические характеристики двигате­ ля, методика расчета которых изложена ниже, в гл. VII.

1.7.3. Низкочастотные внутрикамерные колебания

Опыт доводки двигателей показывает, что одной из основных причин возникновения колебаний в Ж РД оказывается потеря устойчивости рабочего процесса в камере сгорания или в газо­ генераторе. По природе возникновения низкочастотные колеба­ ния в газовых емкостях можно разделить на внутрикамерные колебания и колебания, связанные с взаимодействием между собой ряда агрегатов, т. е. .колебания отдельных контуров дви­ гателя, включающих газовые емкости.

К внутрикамерным колебаниям будем относить все типы ко­ лебаний, которые могут возникнуть в отдельной камере сгорания или газогенераторе без существенного влияния других элемен­ тов двигателя: системы подачи, гидравлических трактов и т. д. В зависимости от характера распределения амплитуды давле­ ния вдоль оси газовой емкости внутрикамерные колебания де­ лятся на низкочастотные и высокочастотные (акустические). При низкочастотных колебаниях давление во всем объеме газо­ вой емкости в каждый момент времени практически одинаково, так как длина камеры сгорания /к (рис. 1.46) существенно мень­ ше длины акустической волны л0,

Ік<£К = — -

а

гд е / — частота колебаний, а а — скорость распространения звука в газе.

Благодаря этому газовую емкость можно рассматривать как систему с сосредоточенными параметрами.

При высокочастотных колебаниях Ік~Ка и уровень давления в различных точках вдоль оси камеры в каждый момент време­ ни различен. Колебания газа в камере в этом случае возникают на резонансной акустической частоте.

Низкочастотные внутрикамерные колебания возникают из-за взаимодействия процессов в системе смесеобразования (вклю­ чая форсуночную головку) и горения с колебаниями давления в газовой емкости. Реальный процесс горения жидких компонен­

66

ную кривую выгорания ступенчатой функцией, т. е. чистым вре­ менным запаздыванием тг *■*

В автоколебательном контуре обычно присутствуют: коле­ бательное звено, источник энергии и обратная связь, обеспечи­ вающая подпитку энергией колебательного звена. Для возник­ новения колебаний необходимо, чтобы обратная связь подавала колебательной системе энергию в нужной фазе, обеспечивая компенсацию неизбежных потерь энергии колебаний при дисси­ пативных процессах.

9 к

1 -

Энергия, необходимая для раскачки системы, выделяется в процессе горения, обратная же связь, управляющая потоком энергии, осуществляется в силу зависимости количества посту­ пающего жидкого компонента от давления в камере сгорания. Другой возможный механизм обратной связи («механизм Крокко» см. ниже) связан с зависимостью времени процесса газооб­ разования от давления в камере сгорания.

Схематично модель возникновения низкочастотных колеба­ ний можно представить следующим образом (рис. 1.48). При случайном повышении (флуктуации) давления на величину брк одновременно уменьшается расход поступающих в камеру жидких компонентов на öGs и увеличивается расход истекаю­ щего из сопла газа на б

* Так называется некоторое характерное время, в течение которого посту­ пившая порция жидкого топлива остается в камере сгорания в жидкой фазе,

азатем мгновенно превращается в газообразные продукты сгорания.

**Величины &рк, бGs , 6GC, бG — отклонение соответствующих парамет­

ров от их среднего значения.