Глава 5. Взаимодействие продуктов сгорания с материалами тракта рдтт

5.1. Компоненты воздействия

Компонентами воздействия многофазного потока продуктов сгора­ния ТРТ на элементы газового тракта являются (рис. 5.1):

силовое нагружение внутренним давлением;

конвективный тепловой поток от движущейся среды к шероховатой проницаемой поверхности материалов;

радиационный тепловой поток;

перенос тепла в стенку осаждающейся конденсированной фазой;

высокоскоростное соударение частиц конденсированной фазы со стенками.

Вследствие этого происходят:

прогрев материалов тракта;

термическая деструкция связующего;

разрушение материалов химически активными компонентами по­тока продуктов сгорания;

разрушение материалов при действии сил трения и динамического воздействия потока на элементы шероховатости поверхности;

разрушение материалов от действия термических и усадочных напряжений в процессе их нагрева, а также перепада давлений газа по толщине прококсованного слоя.

На конструкцию двигателя может оказывать воздействие внешняя среда, основные составляющие которой при полете ракеты следующие:

аэродинамический нагрев на активном участке траектории;

радиационный тепловой поток от головной ударной волны;

переизлучение с внешней стенки конструкции в окружающее про­странство;

радиационный тепловой поток от выхлопной многофазной струи;

динамическая нагрузка на траектории;

радиационный поток от Солнца.

Стендовые испытания РДТТ высотных ступеней ракет проводят в газодинамических трубах, и в ходе их на элементы соплового блока воздействуют:

конвективный тепловой поток в донной области;

Рис. 5.1. Воздействие рабочего тела и окружающей среды на элементы корпуса и тракта сопла РДТТ

радиационный тепловой поток от газовой фазы в донной области;

пульсации давления и температуры газа в донной области в период запуска и срыва газодинамической трубы.

Конструкции РДТТ относительно просты, но необратимые процессы переноса энергии в них крайне сложны по следующим причинам:

значительное отличие по скорости обтекания элементов тракта (М=0,05...5);

наличие существенных градиентов давления по тракту РДТТ;

взаимодействие скачков уплотнения с пограничным слоем;

неизотермичность пограничного слоя на шероховатой проницаемой поверхности;

повышенный уровень турбулентности ядра потока, оказывающий влияние на тепломассообмен и переходные процессы в пограничном слое;

наличие областей отрывного течения;

пространственный характер течения рабочего тела;

фазовые переходы в композиционных материалах, подверженных пиролизу;

наличие различных режимов переноса в пограничном слое и процес­сов перехода от ламинарной формы к турбулентной и, наоборот, от турбулентной к ламинарной;

наличие частиц конденсированной фазы в пограничном слое;

существование различных режимов гетерогенного окисления углеграфитовых материалов компонентами рабочего тела;

зависимости теплофизических свойств материалов от температуры, степени термодеструкции и структуры композита.

5.2. Модели конвективного теплообмена

Обычно рассматривают замороженный или равновесный погранич­ный слой на проницаемой (непроницаемой) каталитической (некатали­тической) гладкой (шероховатой) поверхности. Характер течения и тепломассообмена в пограничном слое реагирующего газа определяет значение отношения времени нахождения частицы газа t_П в слое к вре­мени протекания химической реакции t_р, именуемого числом Дамкелера [9]:

,

где Кr— константа скорости реакции; М_а — масса атома; L — характер­ный размер.

Для РДТТ, работающих на топливах с температурой продуктов сгорания 3400...3600К, оценка значений чисел Дамкелера по тракту двигателя при наличии тримолекулярных реакций рекомбинации пред­ставлена в табл. 5.1.

Рассмотрены две реакции, отличающиеся по значениям скорости примерно на два порядка; значения К_r взяты по данным работы [9]. В общем случае в пограничном слое тракта РДТТ реализуются три режима:

1. Da, в каждой точке пограничного слоя успевает установиться локальное термохимическое равновесие, и пограничный слой считается равновесным. Профили концентраций каждого компонента не зависят от процессов переноса, а определяются локальными значениями темпе­ ратуры и давления (Da=47,5 в табл. 5.1);

2. Da1, скорости химических и переносных процессов имеют один порядок, и пограничный слой считается неравновесным (Da=1,98 в табл. 5.1);

3. Da0, влияние химических реакций на процессы в пограничном слое несущественно, и. пограничный слой считается замороженным (Da0,5*10² в табл. 5.1.).

Данные табл. 5.1 показывают, что за минимальным сечением сопла пограничный слой можно уверенно считать замороженным, а в корпусе двигателя и в трансзвуковой области сопла существует некоторый про­извол в определении режима, связанный с выбором определяющей реакции и значения ее констант. При проектировании пограничный слой в дозвуковых частях тракта РДТТ считают равновесным, а в сверхзву­ковых — замороженным.

Практика проектирования выработала три подхода к определению тепловых потоков в стенках тракта:

1. на основе критериальных формул и интегральных соотношений теории пограничного слоя;

2. на основе интегральной теории С.С. Кутателадзе — А.И. Ле­онтьева;

3. на основе теории пограничного слоя в полной форме дифференциальных уравнений в частных производных с различными гипотезами замыкания турбулентности.

Области применения моделей конвективного теплообмена по тракту РДТТ представлены в табл. 5.2.

Таблица 5.1

Характер течения и тепломассообмена в пограничном слое

реагирующего газа на различных участках газового тракта

Реакция рекомбинации	Параметр процесса в слое	Корпус	Область сопла
			Минимальное сечение	Сечение у=3	Сечение у=5
СО+О+ СО СО+СО2 ОН+Н+СО НО+СО	L/Ue Da Da	0,01 2,6 0,1 3,3*1016 47,5	0,001 2,54 0,3 3,64*1016 1,98	0,001 2,04 0,5 6,1*1016 0,5*102	0,001 1,75 0,28 7,95*1016 0,43*102

Таблица 5.2

Области применения моделей конвективного теплообмена в РДТТ

Пограничный слой	Определение тепловых потоков	Область применения	Реализация
Оссесимметричный нес-тационарный на шеро-ховатой проницаемой поверхности каталити-ческой стенки Оссесимметричный нес-тационарный на шеро-ховатой проницаемой поверхности Плоский турбулентный пограничный слой на гладкой непроницаемой поверхности Двухфазный плоский при отсутствии взаимо-действия частиц со стенкой	Решение уравнений пограничного слоя в полной форме с моделями турбу-лентности Решение уравнений интегральной теории с опытными законами трения и тепломассообмена Расчеты по приб-лиженным анали-тическим зависи-мостям и эмпирии-ческим формулам На основе интег-ральной теории с эмпирическими по-правками	Сопло Корпус, сопло Корпус, участки сопла, элементы устройств соз-нания управляя-ющих сил Участки сопла	Применяется редко Применяется часто Применяется повсеместно Применяется редко