16.1. Неустойчивость процессов в жидкостных ракетных двигателях

Практически в каждом ЖРД возникает неустойчивость рабочих процессов: самопроизвольные неуправляемые колебания значений давления, скорости, температуры газа и жидкостей и пр. Сначала возникает участок развития колебательного процесса (0,01…0,02 с), затем существует участок автоколебаний, т.е самоподдерживающихся нелинейных периодических колебаний примерно постоянной амплитуды. Наличие неустойчивости приводит к вибрациям и механическому разрушению конструкций, локальным оплавлениям стенок, нестабильности тяги. Решение проблем выявления причин неустойчивости и погашения ее требует серьезных исследований в ходе длительной экспериментальной доводки двигателя.

Колебательными системами являются газообразные и жидкие вещества в агрегатах ДУ (камера, ГГ, трубопроводы, газоводы и др.). Обычно автоколебания поддерживаются за счет тепловой энергии, выделяющейся при горении топлива, поступление энергии в колебательную систему регулируется обратной связью между источником энергии и системой.

Колебания давления в камере сгорания, их амплитуда и частота изменяются в широких пределах: по форме – от синусоидальных до очень сложных, по частоте – от десятков герц до тысяч герц, по амплитуде – от нескольких % до десятков %. Колебательный процесс происходит на частотах, совпадающих с собственными акустическими частотами колебательных систем, значения которых обратно пропорциональны линейным размерам объемов, занимаемых газом или жидкостями, и прямо пропорциональны скорости звука в среде.

В зависимости от частоты автоколебания в ЖРД принято разделять на низко - (до 200 Гц), средне - (200…500 Гц) и высокочастотные (f > 600 Гц) автоколебания. Размер двигателя (т.е. его тяга) позволяет отнести автоколебания к конкретному виду неустойчивости.

Для низко- и среднечастотной неустойчивости в камере сгорания характерны продольные колебания параметров. При этом параметры во всем объеме камеры одинаковы, т.к. характерный размер объема газа меньше акустической длины волны. Для ЖРД с тягой 0,1…5 МН такой неустойчивости соответствует диапазон частот f = 1…100 Гц. Причиной их служат случайные разбросы в горении топлива – колебания в расходе продуктов сгорания, что приводит к пульсациям давления. Также причиной НЧ - неустойчивости могут быть кавитационные колебания, возникающие в насосах при взаимодействии кавитационных полостей с гидравлическим трактом питания насоса.

Из-за НЧ - неустойчивости возникают опасные продольные упругие колебания корпуса ракеты. Колебания в системе двигатель - упругий корпус ракеты вызывают возмущения от двигателя в замкнутую динамическую систему двигатель-корпус. Колебания корпуса приводят к колебаниям жидкости в баках и трубопроводах, что приводит к колебаниям уровня тяги. А изменение тяги вызывает колебания упругого корпуса. Если колебания жидкости совпадает с собственной частотой колебаний корпуса и имеется совпадение по фазе, то возникают автоколебания.

Продольные колебания корпуса ракеты из-за изменения перегрузок приводят к колебаниям объема и давления газовой подушки баков. Могут возникнуть автоколебания: давление в баке – давление на входе в двигатель-тяга-корпус ракеты.

Стабилизацию системы упругий корпус-двигатель осуществляют изменением динамических свойств топливоподающего тракта путем установки демпфирующих устройств.

Для СЧ - неустойчивости характерны продольные колебания параметров потока в контурах: ГГ - подводящие магистрали, газовод-камера сгорания. Причины возникновения такой неустойчивости такие же, что и НЧ - неустойчивости: связь процесса горения с гидродинамической системой подачи и смесеобразования.

Высокочастотная неустойчивость характерна значением частоты колебаний параметров газа в камере 1000 Гц и больше. Время распространения волны сравнимо с периодом колебаний, а длина ее – с размерами камеры сгорания. Возникают поперечные (радиальные и тангенциальные) моды автоколебаний, т.к. потери энергии этих мод колебаний с выносом энергии меньше, чем в продольных модах колебаний. Источником энергии для развития и поддержания ВЧ - колебаний является горение, частота колебаний зависит от акустических свойств газа в объеме камеры сгорания.

Наиболее сильное влияние на устойчивость к колебаниям оказывают отношение длины камеры к ее диаметру L/D и относительная площадь входного сечения сопла . Существенную роль в развитии высокочастотных колебаний играет организация смесеобразования – чувствительность процесса горения к возмущениям. Стараются увеличить диаметр отверстий и уменьшить скорость впрыска компонентов.

Расходонапряженность = камеры является проектным параметром и значение его влияет на устойчивость горения. Для ЖРД F1 (1-я ступень РН «Сатурн-V») =3530 и проблема обеспечения устойчивости оказалась крайне трудной. А для ЖРД лунного корабля «Аполлон» особых проблем не было. Дело в том, что при высокой расходонапряженности в зоне возмущений в камере находится много еще несгоревшего топлива, подпитывающего начальные возмущения. Поэтому необходимо рационально распределять процесс горения (выделение энергии) по длине камеры.

Существенное влияние на ВЧ - неустойчивость оказывают пристеночные эффекты у стенки, создаваемые для уменьшения тепловых потоков в нее. Уменьшение количества непрореагирующего топлива по периферии камеры повышает устойчивость процессов по отношению к тангенциальным модам колебаний.

Повышение устойчивости обеспечивают специальными антипульсационными перегородками, изменяющими акустические свойства камеры, и предохранением предпламенной зоны от воздействия пульсаций. ВЧ - неустойчивость крайне сложна и недостаточно изучена, она может стать непреодолимым препятствием при создании двигателя большой тяги.