logo
Шишков

4.4.2. Вдув газа и впрыск жидкости в сопло

Если через отверстие в стенке сопла втекает в поток вторичная струя жидкости или газа, то часть потока отклоняется от стенки; а вверх по течению от отверстия образуется зона повышенного давления. При этом возникает боковая сила, которая складывается из реактивной силы вторичной струи и равнодействующей сил давления в области отрыва потока.

v Обтекание струйного препятствия в сопле сопровождается не только возникновением боковой силы, то и приростом тяги, так как сопротив­ление вторичной струи не передается соплу, а равнодействующая сил по­вышенного давления по зоне отрыва имеет осевую составляющую (бо­ковая стенка сопла наклонена к оси РДТТ).

Вторичная струя жидкости или газа воздействует на основной поток как источник массы, количества движения и энергии. Так, в плоском сверхзвуковом сопле (с выходным сечением высотой ha) воздействие вторичной струи бесконечно малой интенсивности dm приводит к повы­шению давления в потоке:

,

где Н, р - энтальпия и давление в потоке; vа - скорость потока; vBT - скорость вторичной струи; vBTcos - осевая составляющая ско­рости вторичной струи; N - молярная масса.

Равнодействующая сил давления по возмущенной области длиной равна , а соответствующий удельный им­пульс определяется соотношением

.

Удельный импульс боковой силы при вдуве (впрыске) газа (жид­кости) в закритическую часть сопла (табл. 4.14. к=1,24, Т=300К, М=2,5):

.

где Iвт - собственный удельный импульс вдуваемой (впрыскиваемой) струи.

Коэффициент усиления при вдуве инертного газа в закритическую часть сопла. Возмущенную пристенную зону, возникающую при вдуве газа в закритическую часть сопла, можно разделить на две части: вверх и вниз по течению от отверстия вдува, находящегося на расстоянии l от выходного сечения сопла. Коэффициент усиления для первой части области, характеризуемой отрывом потока перед трехмерным струй­ным препятствием, равен 1,5...1,8, а коэффициент усиления для второй области увеличивается пропорционально (l/dэ)0,5. В результате анализа экспериментальных данных имеем

,

где - угол между осью канала вдува и осью сопла ракетного двигателя;— эквивалентный диаметр отверстия (здесь и — расходные комплексы для газов вторичного и основного по­токов; ).

Приведенная формула для Ку справедлива до тех пор, пока цент­ральный угол охвата возмущенной области в выходном сечении сопла 2а менее 160°. При распространении возмущения на противополож­ную вдуву сторону сопла (2а>160°) коэффициент усиления умень­шается, и уменьшение пропорционально а (80°а160°):

.

Таблица 4.14

Удельный импульс струи, втекающей

в закритическую часть сопла при взаимодействии с потоком

Вдуваемое рабочее тело

Тепло, поглощаемое впрыскиваемым веществом при нагреве до температуры потока (1700 К), кДж/моль

, м/с

,кг/м*с

Инертные газы:

продукты сгорания твердого топлива

нейтральные жидкости:

реагирующие жидкости и газы (содержится в потоке):

41,8

46

-54

144

156

83,6

-426

-860

210

7300

2320

4260

1240

1560

1700

6600

4700

1470

0,06

0,27

7,1

1,2

2,0

5,3

0,9

6,8

2,2

Примечание. - плотность рабочего тела. Газы хранятся при давлении 10,3 МПа и впрыскиваются со звуковой скоростью под углом к оси сопла.

Поэтому после того как угол охвата возмущенной области достиг значения 2=160°, увеличивать расход вдуваемого газа целесообразно только через дополнительные отверстия, расположенные в области раз­режения, находящейся вниз по потоку от струйного препятствия. Тоща в этой области повышается давление, и размеры возмущенной области не увеличиваются (в определенных пределах роста mвт); коэффициент усиления при этом остается приблизительно на прежнем уровне, а боко­вая управляющая сила возрастает.

Удельный импульс боковой управляющей силы при впрыске жид­кости. Характеристики систем впрыска четырехокиси азота (стартовые РДТТ ракеты "Титан-ЗС", табл. 4.15) и впрыска фреона-12 (третья сту­пень ракеты "Минитмен") таковы:

а) при впрыске N2 О4 Ру 0,4();

б) при впрыске фреона-12 Ру/Р0,35;Ку=0,6.

Таблица 4.15

Боковая сила и удельный импульс при впрыске в сопло четырехокиси азота

0,02

0,05

0,10

0,15

0,20

0,30

м/с

0,02

2600

0,045

2400

0,075

2000

0,10

1700

0,115

1600

0,14

1200

В системе вытеснения фреона имеется стабилизатор давления (4,5±0,2) МПа с пропускной способностью 0...0,45 кг/с (см. рис. 1.12). Расход газа или жидкости на парирование случайных эксцентриситетных возмущений по каналам тангажа и рыскания пропорционален сумме абсолютных значений проекций управляющего усилия на каждую из взаимно перпендикулярных плоскостей стабилизации z =|х|+\y\=и+v>0, причем

, при ,

а (v) записывается аналогично. Плотность вероятности распределения суммы двух модулей нормальных случайных величин z=\x\+\у\ (при х==)

,

где .

Для вероятности получаем , так, вероятности 0,997 соответствует отклонение, равное примерно 4,2.