автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме

УДК 621 454 2

На правах рукописи

Воробьев Алексей Геннадиевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛЫХ ТЯГ

Специальность 05.07.05 -"Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

003444723

Москва-2008 г

003444723

Работа выполнена на кафедре «Ракетные двигатели» Московского авиационного института (государственного технического университета)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Черваков Валерий Васильевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Денисов Константин Петрович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Суриков Евгений Валентинович

Ведущая организация ФГУП Исследовательский Центр им М В Келдыша

заседании диссертационного совета Д212 125 08 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете), по адресу 125993, Россия, г Москва, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета)

Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу 125993, Россия, г Москва, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4

Автореферат разослан « » ШЛ-О^^ 2008 г Ученый секретарь диссертационного

Защита диссертации состоится « 15~» сол(Ч 2008 г в

часов на

совета Д212 125 08, д т н, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Одной из основных задач, стоящих перед разработчиком космического аппарата является создание двигательной установки для управления движением космического аппарата с высокоэкономичными и надежными жидкостными ракетными двигателями малых тяг (ЖРДМТ)

Экономичность ЖРДМТ характеризуется величиной удельного импульса двигателя и обеспечивается за счет лучшего смесеобразования в камере сгорания, высокой температуры продуктов сгорания, применения жаростойких материалов в конструкции двигателя Надежность ЖРДМТ обеспечивается их экспериментальной огневой отработкой Затраты на огневую отработку ЖРДМТ являются основной составляющей стоимости создания двигателя

Увеличение удельного импульса двигателя, сокращения числа огневых доводочных испытаний и повышения их эффективности можно добиться путем предсказания температурного поля камеры двигателя посредством разработки и применения модели теплового состояния ЖРДМТ, которая должна

1) учитывать особенности таких двигателей

- малый объем камеры сгорания,

- специфичная организация процесса смесеобразования,

- нестационарность режимов работы,

- отсутствие регенеративного охлаждения,

2) рассматривать большинство из факторов, влияющих на процесс в двигателе

- параметры рабочего процесса (давление в камере сгораниярк, различные пары компонентов топлива, соотношение компонентов кт),

- организацию смесеобразования,

- организацию завесного охлаждения,

- применения различных материалов для стенки камеры сгорания и сопла,

3) рассматривать сложный характер процессов теплообмена в двигателе

- испарение жидкой пленки завесы на начальном участке перемешивания,

- конвективный теплообмен между продуктами сгорания и стенкой камеры двигателя с учетом турбулентного перемешивания завесы с пристеночным слоем,

- радиационный теплообмен на внутренней и наружной поверхностях стенки камеры сгорания и сопла,

- теплопередачу в стенке камеры двигателя,

- теплообмен на внешней поверхности стенки камеры сгорания и сопла с учетом условий окружающей среды,

- стационарный и нестационарный тепловые режимы

Существующие модели, позволяющие определять тепловое состояние двигателя, рассматривают лишь часть из вышеперечисленного

Поэтому разработка экспериментально-теоретической модели теплового состояния ЖРДМТ является актуальной научно-технической задачей

Целью работы является повышение удельного импульса ЖРДМТ и сокращение количества огневых испытаний двигателей путем разработки и применения экспериментально-теоретической модели теплового состояния ЖРДМТ Основные задачи, решаемые в диссертационной работе

1 Разработать экспериментально-теоретическую модель теплового состояния ЖРДМТ, работающего в стационарном режиме, на основе адаптированных к условиям ЖРДМТ методик расчета процессов в камере сгорания и сопле ЖРД больших тяг

2 Разработать модельный секционный двигатель, провести его огневые испытания, провести моделирование теплового состояния двигателя с целью отработки и верификации модели теплового состояния ЖРДМТ

3 Провести огневые испытания на объектовом двигателе с целью проверки работоспособности двигателя и определения его теплового состояния на номинальном режиме работы Провести моделирование теплового состояния объектового ЖРДМТ и сравнение результатов экспериментов с результатами расчетов

4 Выполнить анализ возможности увеличения удельного импульса объектового двигателя на основе расчетов по созданной модели

5 Использовать модель для предварительного анализа теплового состояния камеры двигателя, выбора оптимальных параметров, выработки рекомендаций по конструкции камеры сгорания и смесительной головки для разрабатываемого ЖРДМТ с целью получения максимального ожидаемого удельного импульса

Научная новизна работы заключается в следующем

1 Впервые адаптированы к особенностям ЖРДМТ методики расчета процессов в камере сгорания и сопле ЖРД больших тяг и на их базе обоснована и реализована экспериментально-теоретическая модель теплового состояния ЖРДМТ

2 Проведено моделирование теплового состояния камеры двигателя, получены распределения температуры внешней стенки, температуры стенки со стороны продуктов сгорания, температуры продуктов сгорания вблизи стенки, тепловых потоков вдоль камеры двигателя на стационарном и нестационарном тепловых режимах

3 Выполнен анализ влияния основных рабочих параметров двигателя, схемы форсуночной головки, параметров смесеобразования и завесного охлаждения на тепловое состояние двигателя

4 Даны рекомендации по увеличению удельного импульса рассматриваемых в работе ЖРДМТ путем оптимизации основных параметров двигателя, параметров смесеобразования, применения жаропрочных материалов, проведена численная оценка повышения удельного импульса двигателя от принимаемых мер

Степень обоснованности и достоверности полученных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается

• использованием известных научных положений, методов исследований, стандартных методик расчетов,

• определение теплового состояния камеры сгорания и сопла двигателя основано на общих положениях теории теплопередачи и теплопроводности,

• для численного решения задачи нестационарной теплопроводности используется общепризнанный метод конечных элементов,

• подтверждение каждой из использованных методик сравнением полученных результатов с данными других авторов,

• результаты расчета и анализа теплового состояния ЖРДМТ по модели подтверждаются экспериментальными данными автора

Основным вкладом диссертанта является предложенная и разработанная автором экспериментально-теоретическая модель теплового состояния ЖРДМТ Автор принимал непосредственное участие в разработке, составлении конструкторской документации и проведении огневых испытаниях ЖРДМТ, рассматриваемых в работе

Практическая ценность результатов работы

Применение разработанной модели позволяет повысить удельный импульс ЖРДМТ, снизить количество огневых доводочных испытаний, повысить их эффективность, и, как следствие, снизить затраты на разработку и доводку двигателя

В работе изложена методика моделирования теплового состояния ЖРДМТ для различных параметров рабочего процесса в камере двигателя

Созданная экспериментально-теоретическая модель позволила выявить резерв по тепловому состоянию объектового ЖРДМТ ДТМ МАИ-200 и выработать рекомендации по изменению конструкции камеры сгорания и головки двигателя, что подняло удельный импульс двигателя

Применяя экспериментально-теоретическую модель, разработан новый ЖРДМТ ДМТ МАИ-500ВПВК с оптимальными параметрами двигателя, с предварительным прогнозом теплового состояния стенки камеры сгорания и сопла, и рекомендациями по конструкции головки и камеры двигателя Составленная программа огневых испытания экономит до 20% от традиционной стоимости испытаний

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на конференции молодых специалистов по теме «Стендовые испытания и исследование агрегатов ракетных двигателей, космических аппаратов и ступеней РН» (НИИХИММАШ, г Пересвет, 2007 г), на международной конференции International Symposium on Space Propulsion (ISSP) (r Beijing, 2007 г), на 9-ой Международной Конференции «Системный анализ и управление»" (г Евпатория 2004 г), на научной конференции «Авиация и космонавтика» (МАИ, г Москва, 2003 г), на 4-ом международном аэрокосмическом конгрессе ТАС'ОЗ (г Москва, 2003 г)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка используемых источников из 95 наименований, изложена на 169 страницах машинописного текста и иллюстрирована 122 рисунками, число таблиц - 25

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обосновывается актуальность темы, рассматривается ее новизна, формулируется цель работы и задачи исследования

Первая глава посвящена обзору литературных источников по теме исследования Анализ литературных источников показал что, несмотря на существование отдельных методик расчетов процессов, связанных с тепловым состоянием ЖРДМТ, до настоящего времени отсутствует целостная модель, позволяющая моделировать тепловое состояние ЖРДМТ с учетом влияния основных параметров двигателя и конструкции головки на тепловое состояния камеры сгорания и сопла и на энергетические характеристики двигателя

Во второй главе представлены объекты исследования диссертационной работы. Объектами исследования являлись ЖРДМТ ДМТ МАИ-200 с объектовой камерой сгорания, ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С с модельной секционной камерой двигателя и разрабатываемый ЖРДМТ ДМТ МАИ-500ВПВК.

ЖРДМТ ДМТ МАИ-200 (см. рисунки 1, 2) оснащен съемной форсуночной головкой с канальной завесой (см. рисунок 4) из горючего на компонентах топлива четырехокись азота и несимметричный диметилгидразин (^(^(СНз^ЫгНг). Тяга двигателя составляет 200 Н. Удельный импульс - 292 сек. Соотношение компонентов - 1.85. Материал стенки камеры сгорания - ХН60ВТ, максимально допустимая температура огневой стенки не должна превышать ШОК.

Съемная головка, которая посредством фланцевого соединения крепится к корпусу камеры сгорания, позволяет наиболее экономно отрабатывать рабочий процесс в двигателе. На объектовом двигателе устанавливались однофорсуночная (см. рисункок 3), семифорсуночная (см. рисунок 6) и девятнадцатифорсуночная смесительные головки. Уплотнение осуществляется с помощью медного кольца.

Для замера температуры внешней стенки камеры сгорания использовались термопары хромель-алюмель, которые размещались в каждой характерной части ^цилиндрической, докритической и закритической.

Рисунок 2. Газодинамический профиль ЖРДМТ.

Рисунок 3. Головка ЖРДМТ ДМТ МАИ-200.

Рисунок 1. ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1

Рисунок 4. Организация завесного охлаждения.

Термопара

Термопара

__

та

______

_____из________I

Рисунок 6. Конструкция головки двигателя

п - ^ ДМТ МАИ 200-7. 1 - пластина горючего, 2 -

Рисунок 5. Схема расположения термопар на „ ,

И/-Г.ттл<-г -пит чди 1аа пластина окислителя, 3 - крышка головки, 4 -подрезанной камере ЖРДМТ ДМТ МАИ-200. ' н

подвод компонентов, 5 - корпус головки.

Для отработки и верификации экспериментально-теоретической модели

теплового состояния двигателя, под однофорсуночную головку двигателя ЖРДМТ

ДМТ МАИ-200 была специально спроектирована и изготовлена модельная

секционная камера ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С (см. рисунки 7 - 10).

Рисунок 7. Камера ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С

Рисунок 8. Двигатель ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С в сборе с установленными на внешнюю поверхность термопарами.

Рисунок 9. Схема обозначений секций и расположения термопар.

Рисунок 10. Место соединения секций

Коническая поверхность

поверхность

Секционная конструкция была специально разработана для того, чтобы исключить тепловые перетекания вдоль камеры, а использование теплопроводного материала позволило рассматривать нагрев секций как нагрев калориметрического тела, что упростило расчет и перенос граничных условий на объектовую камеру.

Двигатель малой тяги ДМТ МАИ-500ВПВК (см. рисунки 11,12) тягой 500Н предназначен для выведения КА на апогейную орбиту. В настоящий момент двигатель находится на стадии создания материальной части. Отличительными особенностями двигателя являются используемые компоненты топлива (ВПВ + керосин) и сменная форсуночная головка. Съемная смесительная головка позволяет проводить исследовательские работы, связанные с оптимизацией смесеобразования и воспламенением несамовоспламеняющихся компонентов топлива: выбрать тип и количества смесительных элементов, схему их расположения на плоскости форсуночной головки, оптимально организовать завесное охлаждение, выбрать способ и конструктивное решение системы воспламенения топливной композиции и др.

Рисунок 12. Модель двигателя ДМТ МАИ-500ВПВК

Рисунок 11. Газодинамический профиль камеры сгорания и сопла ДМТ МАИ-500ВПВК.

В главе представлены основные условия проведения огневых испытаний объектового и модельного двигателей, чертеж рабочего участка стенда, где проводились эксперименты, основные измеряемые и регистрируемые параметры при огневых экспериментах.

Третья глава посвящена теоретической части модели теплового состояния ЖРДМТ.

Описывается физическая картина процессов в камере ЖРДМТ, рассматриваются методы теплозащиты стенки ЖРДМТ, определяется список параметров, участвующих в моделировании, формируется концепция экспериментально-теоретической модели теплового состояния ЖРДМТ. В главе указаны допущения, принятые в модели.

Разработанная экспериментально-теоретическая модель позволяет рассчитывать параметры ЖРДМТ по начальным данным технического задания, или задавать напрямую часть данных с уже существующих двигателей. Это дает возможность проводить моделирование вновь разрабатываемых двигателей и анализировать работу уже существующих ЖРДМТ. Данные с экспериментов отработанных двигателей используются для отладки и настройки самой модели.

На рисунке 13 представлена структурная схема математического аппарата экспериментально-теоретической модели теплового состояния ЖРДМТ.

Общая постановка задачи сформулирована как нахождение зависимости отдельных или совокупности параметров двигателя при заданных внешних условиях на тепловое состояние камеры сгорания и сопла и на энергетические характеристики двигателя В любой постановке задачи определяется ожидаемый удельный импульс двигателя, значение которого является оценкой энергетических возможностей исследуемого объекта Модель позволяет проводить оптимизацию параметров камеры сгорания с целью получения максимального удельного импульса Для вычисления /1Т)П используется алгоритм расчета удельного импульса по местным соотношениям компонентов топлива кт в заданных площадках камеры сгорания

Рисунок 13 Структурная схема математического аппарата экспериментально-теоретической модели теплового состояния ЖРДМТ В главе описываются применяемые в экспериментально-теоретической модели методики (согласно схеме на рисунке 13) термодинамического расчета, расчета тепловых потоков с учетом перемешивания завесы с пристеночным слоем, расчета тепловых потоков на нестационарном режиме, численного решения задачи нестационарной теплопроводности, а также алгоритм выбора оптимальных рабочих параметров двигателя

Расчет основных параметров камеры сгорания, газодинамический расчет и расчет форсунок смесительной головки производится по стандартным отраслевым методикам, описанным в литературе

Алгоритм термодинамической модели был взят из уже апробированных и широко используемых программ и методик Расчет состава и температуры горения при низких соотношениях компонентов, что характерно при перемешивании пристеночного слоя с завесой, сопряжен с большими трудностями из-за наличия твердой фазы и значительной степени неравновесности, поэтому при расчетах в математической модели применялись данные для термодинамических расчетов генераторных газов с малым значением коэффициента избытка окислителя, соответствующие равновесному составу

В качестве основы расчета перемешивания завесы с ядром потока и испарения жидкой пленки завесы используется стандартные для двигателей больших тяг методики с поправкой на возможное применение окислителя в качестве компонента завесного охлаждения

Расчет тепловых потоков производится по методикам расчета конвективного и лучистого теплообмена в камере сгорания ЖРД В рассматриваемом случае учитываются потери тепла от камеры сгорания в окружающую среду для условий, характерных для стендовых испытаний

Численное решение представляет собой решение нестационарного линейного уравнения теплопроводности с граничными условиями 3-го рода

В решении задачи теплового состояния ЖРДМТ первоначальным является определение внутренних конвективного и радиационного тепловых потоков на нестационарном режиме работы двигателя

Суммарный тепловой поток, передаваемый от продуктов сгорания в стенку, складывается из двух частей конвективного и радиационного тепловых потоков (1) Потери тепла, отдаваемого наружной поверхностью камеры во внешнюю среду, имеют аналогичные составляющие (5)

При расчете конвективной составляющей при условии 7С„ = const используется уравнение qK, которое определяется согласно методу расчета конвективного теплообмена с учетом решения интегральных соотношений пограничного слоя, разработанного В М Иевлевым (2)

Расчет лучистой составляющей внешнего и внутреннего теплового потоков проводится по методике Фролова (3), (7)

л каи 9

(1) (2)

- ^c0[e,(7;/ioo)4 - 4(U100)4]

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

dT (Гсп V <8)

Для расчета комплекса s{km пр,Тст!), числа Прандтля Рг и множителя в(кт ,,р,Тс,„) необходимо знать соотношение компонентов в пристеночной области Это соотношение кт „р формируется в результате перемешивания завесы с пристеночным слоем

Закон изменения среднего соотношения компонентов вдоль камеры сгорания имеет вид для завесы из горючего

для завесы из окислителя

= + [l + 2mM/(l-Mj] (Ю)

Закон изменения соотношения компонентов вдоль камеры сгорания непосредственно возле стенки, определяющий конвективный теплообмен, имеет вид для завесы из горючего

V™ = кЛ+(1+*.„Ж/*Д (1

для завесы из окислителя

+ 2 (12)

Здесь к„а - соотношение компонентов в пристеночном слое, Шсш, тт -относительные расходы в пристеночном слое и завесе соответственно, miai = mlo„/mI - относительный расход на завесу, mz - суммарный расход топлива через камеру сгорания, f - коэффициент полноты турбулентного перемешивания ^ = 1 — ехр(- АГ л„2„,„ (тс,„/тзт)), хт:„=х/Нсг- относительная осевая координата, НСТ -толщина пристеночного слоя, К- коэффициент интенсивности турбулентности в пристеночном слое

Для расчета тепловых потоков на нестационарном режиме Тстг(т) приближение для Гс,„ = const не может быть полностью применимо по следующей причине граничные условия (температура стенки со стороны газа, скорость продуктов сгорания и др) существенно меняются за достаточно короткий интервал времени, что существенно влияет на тепловой поток, поступающий в стенку

Для расчета конвективного потока в начальный момент времени г = 0 при Тж = Тю1 используется уравнение для стационарной температуры, лучистый поток отсутствует Для определения qt (г*0) был введен экспоненциальный закон изменения теплового потока по времени (13), где qK - конвективный тепловой поток в камеру сгорания, еэф - показатель термической инерции, qycm - установившийся тепловой поток в стенку, подсчитанный при наступлении стационарного теплового режима

ехр

г

(13)

+ <7„

Величина еэф характеризует «эффективный» темп или скорость теплообмена стенки камеры с продуктами сгорания еэф определяется по результатам кратковременных пусков двигателя < 10 сек), а при их отсутствии по результатам итерационного расчета Для г = 0 принимается

_ р8Ср _ рёСр{Тг-Тст!) (14)

£эф ~ ~ ,

аэф Чг

где Тг определяется по термогазодинамическому расчету по соотношению компонентов возле стенки камеры, р,8,Ср - плотность, толщина и теплоемкость стенки камеры, азф - эффективный коэффициент теплоотдачи, <?г - суммарный тепловой поток в стенку камеры

Для определения температурного поля конструкции камеры сгорания на нестационарном режиме решается двумерное уравнение нестационарной теплопроводности для полого цилиндра

дТ X

д2Т 1 дТ д2Т

д( рС

Для решения задач нестационарной теплопроводности использовался метод конечных разностей с поправкой на кривизну поверхности камеры сгорания ЖРДМТ учитывается переменная толщина стенки КС, которая характеризуется углом наклона расчетной линии в теле

п I 1 ( ) (16)

Разностный аналог уравнения (15) будет иметь вид

1д(Т"ы Т"к)~р^С.

(17)

Для решения нестационарной задачи теплопроводности модель формирует граничные условия на внешней и внутренней стенках камеры сгорания, на торце головки, на торце сопла

Сопловой торец рассматривается как термически изолированный Торец камеры со стороны головки находится в состоянии теплообмена с головкой, теплообмен в этой области задается величиной термического сопротивления

Модель позволяет рассчитывать нестационарное температурное поле для различной разреженности сетки конечных элементов Это позволяет сокращать время расчета при сохранении точности вычислений

Модель рассчитывает нестационарное температурное поле для различной продолжительности модельного эксперимента А использование данных кратковременного эксперимента повышает сходимости расчета с экспериментальными данными

В экспериментально-теоретической модели используется алгоритм расчета удельного импульса для слоистого течения продуктов сгорания по местным соотношения компонентов топлива кш, в заданных площадках камеры сгорания В качестве слоев выбраны соответствующие зоны камеры сгорания ядро и пристеночный слой Значения кж могут быть получены из результатов

гидравлических испытании, тогда число слоев определяется в соответствии с экспериментальными данными Для ядра соотношение компонентов кт ,дро не меняется вдоль камеры Для пристеночного слоя кт щ меняется вдоль камеры согласно закону перемешивания завесы с пристеночным слоем

В общем виде для монотонных профилей расчет^, /,„ и кт проводятся по соотношениям

■^^Л^./^'г^/'г^, - - /г- ' - (18)

1 рт ' " ¡пт ! 'КГ

г

>Тт

КГ

[— - \vclr, к„ = Г--

¡КГ ¿(А.+ЦЯГ

1 гс!г ,

> (кт +1 )ЛГ

где г - радиус камеры, г- радиус текущей площадки, Я- газовая постоянная, Г -температура

В четвертой главе приведены результаты расчетов теплового состояния модельного двигателя с секционной камерой сгорания ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С В результате экспериментов в НИИХИММАШ на модельной камере (см таблицу 1) были получены данные по основным рабочим параметрам камеры сгорания и ее тепловому состоянию (см рисунок 14)

> т о кп т " ЮТ К т \ст 1к Р «о Р вх. Г Р к 1Ст ¿ж»

№ эксгеримента г*с-1 г*с -! с ата ата ата М'С

1, 76 58849 31 35723 2 44245 3 18 0162 14 02381 6835586 725 0631

2 75 5584 31 41275 2 405342 3 17 89778 14 0192 8 387097 897 7399

3' 66 65949 32 29821 2 063876 5 15 38858 14 03297 8 116337 939 1089

4' 58 67957 31 55199 1 859774 5 12 90254 12 94408 7 329122 930 0342

5 62 96078 31 32973 2 009618 3 13 96827 13 01208 7 472009 907 35

6' 62 7043 31 36717 1 999042 10 13 99289 13 00887 7 506282 913 6344

7- 62 84795 31 66422 1 984826 20 13 91859 13 06995 7 490061 907 4091

8 63 26731 26 42745 2 394 9 13 98225 13 08437 7 044115 8992177

300

250

200

0 08

ХМ

Рисунок 14 Температура стенки камеры по экспериментальным данным

использованием

По экспериментально-теоретической модели I экспериментальных данных были рассчитаны

• характеристики перемешивание пристеночного слоя с завесой,

• распределение лучистого потока вдоль камеры,

• распределение конвективного потока по времени вдоль камеры,

• сумма конвективной и лучистой составляющей потерь тепла от внешней поверхности камеры сгорания по условиям эксперимента,

установившиеся температуры поверхностей стенки камеры сгорания,

нестационарное тепловое поле по численному

Т[К]

Время [сек]

Профиль камеры

У[М]

решению (см рисунок 15)

Рисунок 15 Результаты расчета температуры внешней поверхности стенки секционной камеры сгорания по времени в сравнении с экспериментальными данными

Х[м]

Результаты расчета теплового состояния секционной камеры сгорания удовлетворительно совпадают с результатами экспериментов Результаты моделирования теплового состояния двигателя ДМТ МАИ-200-1С позволили отработать и верифицировать экспериментально-теоретическую модель теплового состояния ЖРДМТ для дальнейшего ее применения при моделировании натурных двигателей

В пятой главе приведены результаты расчетов теплового состояния двигателя ЖРДМТ ДМТ МАИ-200

В НИИХИММАШ были проведены огневые испытания двигателя Отрабатывались запуск двигателя на коротких пусках в вакуумной камере и его работоспособность и тепловое состояние на продолжительных пусках Большая часть экспериментов проводились на двигателе с укороченным соплом

В результате экспериментов в НИИХИММАШ на объектовой камере (см таблицу 2) были получены данные по основным рабочим параметрам камеры сгорания

• расходы по горючему и окислителю ттст, т ,

• величина массового соотношения компонентов кт,

• давление компонентов топлива на входе в двигатель Рт, Рп,

• установившееся давление в камере рк,

• характеристическая скорость р^

• температуре внешней стенки камеры по времени Та {х,т) (см рисунок 16)

№ экспер ГП О чет тГиы К т уст (к Р» Г ИКС О V'ст Р к vcm тсуч Ьз VI?

г*с-1 г*с-1 с ата ата ата г*с-1 11*С-1

1 49 535 26 622 1 8607 5 13 452 16 022 9 3514 76 157 1406

2 49 739 26 703 1 8626 10 13 509 16 16 9 4082 76 442 1409 2

3 48 516 27 236 1 7814 25 13 464 15 808 9 3028 75 752 1406 1

4 45 774 28 618 1 5995 50 13 396 15 783 9 0565 74 392 1393 9

По экспериментально-теоретической модели с использованием экспериментальных данных по объектовой камере были рассчитаны

• характеристики перемешивание пристеночного слоя с завесой,

• распределение лучистого потока вдоль камеры,

• распределение конвективного потока по времени вдоль камеры (см рисунок 17),

• сумма конвективной и лучистой составляющей потерь тепла от внешней поверхности камеры сгорания по условиям эксперимента

Полученные данные были использованы для формирования граничных условий и численного решения нестационарной задачи теплопроводности

ТстГК]

?М

_ - — - — — ■

"""15, / N

л \

1— *

*

,__

0 00 2 0 14 0 Об 0 сз а 1 а 2 0 4 0 6 0 г о 2 У

1, Ю-< [Вт!^] 45 4 35 3

УМ 02

О 12 01Е 0 54 О 12 О 1 0 08 0 06 0 04 О 02 О

0 0 0 2 0 04 0 0з 0 02 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 0 2 0 22 тМ

Л

11

Iм-

А \< 20 с

1/ V Л1 с

40 с |

т 50с]

■за ....... 1

Рисунок 16 Температура стенки камеры по экспериментальным данным

Рисунок 17 Расчетное распределение тепловых потоков по длине объектовой камеры по времени

Используя уравнение теплового баланса, были определены установившиеся температуры внешней и внутренней стенки камеры сгорания (см рисунок 18)

Проведен расчет теплового состояния ЖРДМТ с учетом поправки на отсутствие конвекции от стенок камеры в условиях реального использования двигателя в космическом пространстве Условия конвективного теплообмена на внешней поверхности слабо влияет на тепловое состояние объектовой камеры

В главе представлен расчет нестационарного теплового состояния ЖРДМТ с выходом на стационарный тепловой режим (см рисунок 19)

Результаты расчета теплового состояния объектовой камеры сгорания удовлетворительно совпадают с результатами проведенных экспериментов (см рисунок 20)

Т[К] 1<00 1050 1000 950 903 £50 800 750 700 650 »0

Темперагур * внеиие й г ктеььи

К\

/ двнутренней -в стенки

/ \ пв£ерлнс>-г

/ ^ Л \

/ \ \

/ \ ,

1

- Пруф иль камеры -!-

ад

;Т |Ц

I °50 1 850

I ьо

I 6X1

5?0

:

250

1чг1

"»-«-у

^Тст

'Эксперимент

0

Ч

100

150

- [сек] I

Рисунок 18 Расчетные установившиеся температуры стенки для объектовой камеры

Рисунок 19 Изменение расчетной температуры внешней и внутренней поверхности стенки объектовой камеры в районе критического сечения с выходом на стационарный тепловой

режим в сравнении с экспериментальными данными по температуре внешней поверхности

Рисунок 20 Результаты расчета температуры внешней поверхности стенки объектовой камеры сгорания по времени

в сравнении с экспериментальными данными

В шестой главе показано применение модели в целях повышения эффективности ЖРДМТ

На примере объектового двигателя ДМТ МАИ-200 рассмотрены возможности модели по анализу теплового поля и энергетических характеристик в зависимости от параметров двигателя и используемого материала конструкции камеры и сопла

В качестве основных путей повышения эффективности ЖРДМТ рассматриваются следующие возможности 1 выбор оптимального расхода на завесу, 2 реорганизация схемы форсуночной головки, 3 использование жаропрочных материалов

Результаты гидравлических испытаний на смесительной головке двигателя ДМТ МАИ-200 показали, что относительный расход на завесу составляет 15%, при этом на испытаниях температура стенки была ниже допустимой Результаты моделирования (см рисунки 21, 22) показывают, что температура стенки остается приемлемой при уменьшении относительного расхода на завесу до 8% При этом прирос удельного импульса составляет 200 м/сек

Другим способом оптимизации является реорганизация схемы форсуночной головки В качестве исследуемых были проанализированы 3 схемы форсуночной головки однофорсуночная головка с центробежной форсункой, 7-ми форсуночная головка, 19-ти форсуночная головка

/у [и/С»)

36 |

- Эксп еримгя г

/

а- 2 \ \ а=08

1 _ \ N

О 0 05 01 0 15 02 0 25 03

Рисунок 21 Расчетная зависимость максимальной температуры газа со стороны стенки камеры в районе критического сечения от относительного расхода на завесу

Рисунок 22 Расчетная зависимость удельного импульса камеры от относительного расхода на завесу

Расчет показал (см рисунок 23, 24), что выбранная схема организации смесеобразования (однофорсуночная головка) не является оптимальной При увеличении числа форсунок, удельный импульс возрастает из-за распространения окислителя в пристеночный слой, перемешивания его с восстановительной завесой с более оптимальным соотношением компонентов, чем при малом количестве форсунок С учетом технологических ограничений при изготовлении форсуночной головки с большим числом форсунок, оптимальной схемой смесеобразования является головка в 7-ю смесительными элементами Прирост удельного импульса (при использовании того же материала и сохранении неизменными параметров двигателя (рк, кт)) составляет 100 м/сек

Рисунок 23 Расчетная зависимость относительного расхода на завесу в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различного числа форсунок в смесительной головке

03 О 25 02 0 15 0 1 0 05

1 форсуночная головка

Эксперимент

Тгаза=1400К 7 форсуночная голоекэ

19 форсуночная, головка

03

0,4

О 5

М

0,7

08

^ головка

Тгаза?1400К

3000

2700

2600

2500

1 форсуночная ГО10Ш

_ 7 форсуночная гологга

03

Рисунок 24 Расчетная зависимость удельного импульса двигателя в зависимости от коэффициента

избытка окислителя для различного числа форсунок в смесительной головке

Еще одним способом повышения удельного импульса ЖРДМТ является применение жаропрочных материалов В качестве таких материалов применяют либо жаропрочные сплавы на основе ниобия, рения, платины, либо высокотемпературные композиционные материалы, например углекерамические материалы типа С/Б1С и Я1С/$1С Конструкции из данных материалов с соответствующем покрытием с высокой окислительной стойкостью способны работать при высоких температурах в агрессивной среде ПС

По модели был проведен анализ изменения удельного импульса объектового двигателя с номинальной однофорсуночной головкой для различной допустимой температуры стенки камеры сгорания в районе критического сечения (см рисунок 25) Значение относительного расхода на завесу считается с учетом требования по допустимой температуре

[м/сск]

Т=74ППК

- \

___ к х. Т=1800К

1 / \ \ '

/ \ Т-1400К

1 Эксперимент |

\ Т=1200К .5-1-;

0 4 Об 0,8 1

Рисунок 25 Расчетная зависимость удельного импульса двигателя в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различной максимальной температуры стенки камеры сгорания (для однофорсуночной головки)

Показано, что использование жаропрочных сплавов и материалов, с последующей оптимизацией рабочего процесса в камере двигателя, дает существенный прирост удельного импульса ЖРДМТ

В качестве другого примера для анализа теплового поля конструкции и энергетических характеристик двигателя представлен разрабатываемый двигатель малой тяги ДМТ МАИ-500-ВПВК (компоненты - ВПВ+Керосин, тяга - 500 Н, р, =10 атм, окислительная завеса, материал стенки - ХН60ВТ) Построен газодинамический профиль камеры сгорания и сопла, получены значения расходов компонентов, а также следующие расчетные зависимости

• максимальная температура газа со стороны стенки камеры сгорания (см рисунок 26) и ожидаемый удельный импульс двигателя (см рисунок 27) от относительного расхода на завесу,

• температура внешней и внутренней поверхности стенки камеры сгорания на стационарном режиме (при условии тт = 20%, однофорсуночная головка) (см рисунок 28),

• тепловой поток на стационарном режиме,

• зависимость удельного импульса двигателя от коэффициента избытка окислителя для различных схем форсуночной головки (см рисунки 29,30)

• зависимость удельного импульса камеры от принимаемой максимальной температуры конструкции (см рисунок 31)

Рисунок 26 Расчетная зависимость максимальной температуры газа со стороны стенки камеры в районе критического сечения от относительного расхода на завесу

Рисунок 27 Расчетная зависимость удельного импульса камеры от относительного расхода на завесу

ЦК] 153D

1 1 1 емпература внутренней рлности стенки камеры •

/ Л повс

// V III. Температура внешней ~ рхносга стенки камеры

/ V пове

\

\ 1

Профиль камеры - n !

У

*Ы 0,3

ops

acts 01 015 Ц2 Ц25 0,3 0,35 Ц4 Х[ч]

Рисунок 2В Расчетные установившиеся температуры

внешней и внутренней поверхностей стенки камеры

045 01

0 35

аз

С 25 0.2 О 15 11 0 05 О

7 форсуночная головка —

Тгаа=1400К 1 форсуночная головка

19 форсуночная головка

OS 09 1 11 12

Рисунок 29 Расчетная зависимость относительного расхода на завесу в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различного числа форсунок в смесительной головке

Рисунок 30 Расчетная зависимость удельного импульса двигателя в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различного числа форсунок в смесительной головке

If) [м/сек]

-2400К

-т-шок:

-1600К

T-120QK

.1 1.3 a

Рисунок 31 Расчетная зависимость удельного импульса двигателя в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различной максимальной температуры стенки камеры сгорания

Были сделаны следующие выводы

• Показатель избытка окислителя а следует выбирать исходя из рабочей температуры материала Чем меньше рабочая температура материала стенки камеры сгорания, тем больше окислителя уходит на завесу, следовательно, а возрастает

• Схема организации смесеобразования с большим числом форсунок является предпочтительной При малом числе форсунок, удельный импульс уменьшается из-за концентрации горючего в ядре потока, а значит, его недостатке в

периферии, что ведет к снижению роли окислительного пристеночного слоя в удельном импульсе

• Относительный расход на завесу, обеспечивающий приемлемый тепловой режим стенки при номинальном материале стенки камеры двигателя, должен составлять 15-20% от суммарного расхода

• Существенного прироста удельного импульса позволит добиться использование в конструкции камеры сгорания и сопла высокотемпературных материалов

В седьмой главе рассмотрена экономическая эффективность применения модели теплового состояния ЖРДМТ на примере огневых испытаний в НИИХИММАШ

Полная экономическая эффективность при использовании подобной экспериментально-теоретической модели теплового состояния ЖРДМТ при разработке двигателя будет складываться из следующих составляющих

• повышение энергетических характеристик и экономичности двигателя, а, следовательно, полезной нагрузки КА,

• уменьшение времени проектирования двигателя,

• уменьшение числа испытаний ЖРДМТ

Основными источниками экономической эффективности при сокращении числа испытаний являются

• уменьшение продолжительности и количества огневых испытаний,

• снижение потребляемых расходов компонентов топлив, воды, электроэнергии Анализ экономической эффективности проводился с использованием

методики расчета цены огневых испытаний принятой в НИИХИММАШ

Для анализа экономической эффективности был составлен проект программы огневых испытаний с учетом использования экспериментально-теоретической модели теплового состояния двигателя Сокращение количества испытаний касается испытаний по квадрату и ресурсных испытаний использование моделирования до испытаний позволяет заранее выбрать наиболее важные режимы работы двигателя и прогнозировать тепловое состояние камеры на продолжительных режимах работы

Расчеты показали, что экономия только на огневых испытаниях по программе, разработанной с использованием предварительного моделирования теплового состояния ЖРДМТ, составила около 20% При этом учитывалось только уменьшение прямых затрат и уменьшение трудоемкости непосредственно самих огневых испытаний Косвенное влияние применения новой программы испытания на трудоемкость других видов работ во внимание не принималось С учетом экономии на проектирование и влияния использования разработанной экспериментально-теоретической модели на другие этапы отработки ЖРДМТ эта цифра может возрасти

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Разработана экспериментально-теоретическая модель теплового состояния ЖРДМТ, работающего в стационарном режиме, на основе адаптированных к условиям ЖРДМТ методик расчетов процессов в камере сгорания и сопле ЖРД больших тяг

2 Разработан модельный секционный двигатель ДМТ МАИ-200-1С для отработки модели теплового состояния Проведены огневые испытания, моделирование теплового состояния двигателя и верификация математической модели

3 Проведено моделирование теплового состояния объектового ДМТ МАИ-200 В ходе огневых испытаний объектового двигателя, подтверждена работоспособность двигателя, получены данные по распределению температуры внешней поверхности стенки камеры сгорания и сопла Результаты экспериментов показали удовлетворительную сходимость с результатами моделирования

4 С применением модели проанализированы пути повышения удельного импульса объектового двигателя Уменьшение расхода на завесу с 16% до 8% позволяет получить прирост ожидаемого удельного импульса на 200 м/с Переход с однофорсуночной смесительной головки на 7-ми форсуночную - 100 м/с Рассчитано увеличение удельного импульса двигателя в случае применения жаропрочных материалов и сплавов

5 Проведено моделирование теплового состояния нового разрабатываемого ДМТ МАИ-500ВПВК тягой 500Н С целью получения максимального ожидаемого удельного импульса выбраны оптимальные рабочие параметры двигателя, даны рекомендации по конструкции смесительной головки, представлены результаты расчета удельного импульса двигателя в случае применения жаропрочных материалов и сплавов

6 Показано, что при использовании разработанной модели удается снизить стоимость огневых испытаний ЖРДМТ на 20%

Основное содержание диссертации отражено в следующих печатных работах

1 Воробьев А Г, Черваков В В , Козлов А А Определение теплового состояния ЖРДМТ Тезисы докладов четвертого международного аэрокосмического конгресс IАС'03 Москва, 2003, - С 282-283

2 Vorobiev A G , Kozlov А А , Bazanova IА , Borovik IN Main lines of development of thrusters for reactive control systems of upper stage and spacecrafts International Symposium on Space Propulsion (ISSP), Beijing, P R Chine, 2007, - P 177-190

3 Воробьев А Г Математическая модель теплового состояния ЖРДМТ //Вестник МАИ, Т 14, №4,2007, - С 42-49

4 Vorobiev A G, Kozlov А А, Bazanova IА, Borovik IN Development of apogee engine with thrust 200N on propellant hydrogen peroxide with kerosene 5th International Spacecraft propulsion Conference Symposium on Space Propulsion, Herakhon, Greece, 2008, - P 303-304

5 Vorobiev A G , Kozlov A A, Borovik IN The project of the low-thrust engine for system of orbital manoeuvring a space vehicle on LEO and GTO, developed by criterion of the minimal specific cost 5th International Spacecraft propulsion Conference Symposium on Space Propulsion, Herakhon, Greece, 2008, - P 625-626

Введение.

1. Анализ литературных источников по теме исследования и постановка задач.

2. Объекты исследования.

2.1. Двигатель малой тяги ДМТ МАИ-200.

2.1.1. Однофорсуночная головка двигателя ДМТ МАИ 200

2.1.2. Семифорсуночная головка двигателя ДМТ МАИ 200-7.

2.1.3. Девятнадцатифорсуночная головка двигателя ДМТ МАИ 200

2.2. Двигатель малой тяги ДМТ МАИ-200-1С с секционной камерой сгорания.

2.3. Двигатель малой тяги ДМТ МАИ-500ВПВК.

2.4. Основные условия для проведения огневых испытаний.

3. Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния КС ЖРДМТ.

3.1. Концепция экспериментально-теоретической модели.

3.2. Допущения, принятые в модели.

3.3. Программный комплекс математической модели.

3.4. Термодинамический расчет двигателя.

3.5. Расчет теплообмена на стенке.

3.6. Расчет теплообмена на стенке на нестационарном тепловом режиме.

3.7. Численное решение задачи нестационарной теплопроводности.

3.8. Методика выбора оптимальных рабочих параметров двигателя.

4. Тепловое состояние КС ДМТ МАИ-200-1С.

4.1. Результаты эксперимента.

4.2. Расчет теплообмена на стенке.

4.3. Определение нестационарного теплового поля численным методом.

5. Тепловое состояние КС ДМТ МАИ-200.

5.1. Результаты экспериментов.

5.2. Расчет теплообмена на стенке.

5.3. Определение нестационарного теплового поля численным методом.

5.4. Расчет теплового состояния камеры в условиях вакуума.

5.5. Выход двигателя на стационарный тепловой режим работы.

6. Применение модели в целях повышения эффективности ЖРДМТ.

6.1. Применение модели для выбора оптимальных рабочих параметров ДМТ МАИ-200.

6.1.1. Выбор оптимального расхода на завесу.

6.1.2. Расчет теплового состояния при отсутствии завесы.

6.1.3. Выбор схемы расположения форсунок.

6.1.4. Выбор материала стенки камеры.

6.2. Применение модели для выбора оптимальных рабочих параметров ДМТ МАИ-500ВПВК.

Актуальность работы.

Одной из основных задач, стоящих перед разработчиком космического аппарата является создание двигательной установки для управления движением космического аппарата с высокоэкономичными и надежными жидкостными ракетными двигателями малых тяг (ЖРДМТ).

Экономичность ЖРДМТ характеризуется величиной удельного импульса двигателя и обеспечивается за счет лучшего смесеобразования в камере сгорания, высокой температуры продуктов сгорания, применения жаростойких материалов в конструкции двигателя. Затраты на огневую отработку ЖРДМТ являются основной составляющей стоимости создания двигателя и определяют его надежность. Снижение количества и диапазона изменяемых параметров значительно снизит количество экспериментов.

Наиболее теплонапряженным элементом конструкции ЖРДМТ является камера сгорания (КС) двигателя. Увеличение удельного импульса двигателя, сокращения числа огневых доводочных испытаний и повышения их эффективности можно добиться путем прогнозирования температурного поля КС посредством разработки и применения экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС ЖРДМТ, которая должна:

1) учитывать особенности таких двигателей:

- отсутствие регенеративного охлаждения;

- наличие завесного охлаждения;

- нестационарность теплового поля камеры сгорания;

- специфичная организация процесса смесеобразования;

2) рассматривать большинство из факторов, влияющих на процесс в двигателе:

- параметры рабочего процесса (давление в камере сгораниярк, различные пары компонентов топлива, соотношение компонентов кт);

- организацию смесеобразования;

- организацию завесного охлаждения;

- применение различных материалов для стенки конструкции КС и сопла; 3) моделировать сложный характер процессов теплообмена в камере сгорания двигателя:

- испарение жидкой пленки завесы на начальном участке перемешивания;

- конвективный теплообмен между продуктами сгорания и стенкой камеры двигателя с учетом турбулентного перемешивания завесы с пристеночным слоем;

- радиационный теплообмен на внутренней и наружной поверхностях стенки камеры сгорания и сопла;

- теплопередачу в стенке камеры двигателя;

- теплообмен на внешней поверхности стенки камеры сгорания и сопла при испытаниях в атмосферных условиях;

- стационарный и нестационарный тепловые режимы. Существующие модели, позволяющие определять тепловое состояние двигателя, рассматривают лишь часть из вышеперечисленного.

Следовательно, разработка экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС двухкомпонентных ЖРДМТ, работающих на непрерывном режиме, является актуальной научно-технической задачей.

Целью работы является повышение удельного импульса ЖРДМТ и снижение количества огневых испытаний путем разработки и применения экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС двухкомпонентных ЖРДМТ, работающих на непрерывном режиме. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. впервые обоснована и разработана экспериментально-теоретическая модель теплового состояния КС двухкомпонентных ЖРДМТ на основе методик расчета процессов в КС и сопле больших ЖРД, с учетом особенностей двигателей малых тяг;

2. проведено моделирование теплового состояния КС двигателя, получены распределения температуры внешней стенки, температуры стенки со стороны продуктов сгорания, температуры продуктов сгорания вблизи стенки, тепловых потоков вдоль камеры двигателя на стационарном и нестационарном тепловых режимах;

3. проведен анализ влияния основных параметров двигателя, схемы форсуночной головки, параметров смесеобразования и завесного охлаждения на тепловое состояние КС двигателя;

4. даны рекомендации по увеличению удельного импульса рассматриваемых в работе ЖРДМТ путем оптимизации основных параметров двигателя, параметров смесеобразования, применения жаропрочных материалов, проведена численная оценка повышения удельного импульса двигателя от принимаемого комплекса мер.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Применение разработанной модели позволяет повысить удельный импульс ЖРДМТ, снизить количество огневых испытаний, повысить их эффективность, и, как следствие, снизить затраты на разработку и доводку двигателя.

В работе изложена методика моделирования теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных ЖРДМТ для различных параметров рабочего процесса в камере двигателя.

Созданная экспериментально-теоретическая модель позволила выявить резерв по тепловому состоянию ЖРДМТ ДТМ МАИ-200 (компоненты: четырехокись азота и несимметричный диметилгидразин) и выработать рекомендации по изменению параметров двигателя, конструкции камеры сгорания и головки двигателя.

На основе разработанной модели, разработан новый ЖРДМТ ДМТ МАИ-500 (компоненты: высококонцентрированная перекись водорода и керосин). Для двигателя выбраны рабочие и геометрические параметры, проведен предварительный прогноз теплового состояния стенки камеры сгорания и сопла и выработаны рекомендации по конструкции головки и камеры двигателя.

Степень обоснованности и достоверности полученных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается:

• использованием известных научных положений, методов исследований, апробированных методик расчетов;

• определение теплового состояния камеры сгорания и сопла двигателя основано на общих положениях теории теплопередачи и теплопроводности;

• для численного решения задачи нестационарной теплопроводности используется общепризнанный метод конечных элементов;

• достоверность каждой из использованных методик подтверждается сравнением полученных результатов с данными других авторов;

• результаты расчета и анализа теплового состояния камеры сгорания ЖРДМТ по модели подтверждаются экспериментальными данными автора и других исследователей.

Основным вкладом диссертанта является созданная экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных ЖРДМТ. Автор принимал непосредственное участие в разработке, составлении конструкторской документации и проведении огневых испытаниях ЖРДМТ, рассматриваемых в работе.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались: на конференции молодых специалистов по теме «Стендовые испытания и исследование агрегатов ракетных двигателей, космических аппаратов и ступеней РН» (НИИХИММАШ, г. Пересвет, 2007 г); на международной конференции International Symposium on Space Propulsion (ISSP) (r. Beijing, 2007 г.); на 9-ой Международной Конференции «Системный анализ и управление»" (г. Евпатория 2004 г.); на научной конференции «Авиация и космонавтика» (МАИ, г. Москва, 2003 г.); на 4-ом международном аэрокосмическом конгрессе IAC03 (г. Москва, 2003 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ и 1 научно-технический отчет.

7. Заключение

1. Разработана экспериментально-теоретическая модель теплового состояния КС двухкомпонентных ЖРДМТ, работающих на непрерывном режиме.

2. Разработана модельная КС двигателя ДМТ МАИ-200, проведены огневые испытания с целью отработки и верификации экспериментально-теоретической модели.

3. Проведены огневые испытания и моделирование теплового состояния КС двигателя ДМТ МАИ-200, работающего на компонентах АТ+НДМГ. Результаты моделирования показали хорошую сходимость с результатами экспериментов.

4. На основании разработанной модели проанализированы пути повышения удельного импульса двигателя ДМТ МАИ-200. Модель позволила выявить резерв по тепловому состоянию КС двигателя ДМТ МАИ-200 и выработать рекомендации по изменению конструкции КС и смесительной головки.

5. Проведено моделирование теплового состояния КС разрабатываемого двигателя ДМТ МАИ-500, работающего на компонентах ВПВ+керосин. Выбраны оптимальные рабочие и геометрические параметры двигателя, принята схема смесеобразования, рассчитан ожидаемый удельный импульс двигателя.

6. Результаты моделирования позволяют уменьшить количество огневых испытаний при отработке двигателя.

1. Авдуевский B.C., Галицейский Б.М., Кошкин В.К. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике. - М.: Машиностроение, 1992. - 528 с.

2. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. — М.: Машиностроение, 1989. 464 с.

3. Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. — М.: Машиностроение, 1988. — 280 с.

4. Андерсон. Д.А., Таннехилл Дж. С., Плетчер P. X. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. М.: Мир, 1990. 728 -392 с.

5. Арзамасов Б. Н., Брострем В. А., Буше Н. А. и др.; Конструкционные материалы: Справочник Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 1990. — 688 с.

6. Бакалеев В.П. Решение нестационарной задачи теплопроводности для неограниченной пластины, обтекаемой с обеих сторон жидкостью. Труды ЦИАМ №508, 1960.

7. Безменова Н.В. Численное моделирование сопряженного теплообмена в ЖРД малых тяг в целях повышения их эффективности. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Самара: СГАУ, 2001.

8. Белов Г.В. Термодинамическое моделирование: методы, алгоритмы, программы. — М.: научный Мир, 2002. 184 с.

9. Беляев Е.Н., Жук В.М., Ткаченко Ю.Н. Методы отбраковки недостоверной информации при испытаниях ЖРД. М.: МАИ, 1993. - 19 с.

10. Беляев Е.Н., Чванов В.К., Черваков В.В. Математическое моделирование рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей. М: МАИ: 1999. — 228 с.

11. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1978.-328 с.

12. Березанская E.JL, Курпатенков В.Д., Надеждина Ю.Д. Расчет конвективных тепловых потоков в сопле Лаваля. М: МАИ. 1976. - 77 с.

13. Березанская E.JL, Курпатенков В.Д., Шутов Н.В. Газогенераторы жидкостных ракетных двигателей. М: МАИ. 1982. - 57 с.

14. Валье М. Полет в мировое пространство как техническая возможность. — Ленинград: ОНТИ, 1936.-336 с.

15. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — 2-е изд. М.: Паука. 1972.

16. Волков В.И., Каданер Я.С. Расчет осесимметричного нестационарного температурного поля методом конечных элементов. Труды ЦИАМ №1022, 1982.4

17. Волкова Jl. И., Волков Н., Губертов А. М., Миронов В. Математическое моделирование тепломассообмена и тепловой защиты в двигателях. Двигатель.№ 1(7) 2000.

18. Волохов Г.М. Некоторые следствия анализа двумерного теплового потока ограниченного цилиндра. Исследование нестационарного тепло- и массопереноса. — Минск.: «Наука и техника», 1966.

19. Волчков Э. П. Пристеновные газовые завесы. «Наука». Новосибирск, 1983. 240 с.

20. Воробьев А.Г., Черваков В. В., Козлов А.А. Определение теплового состояния ЖРДМТ. Тезисы докладов международной конференции «Авиация и космонавтика -2003», Москва, МАИ, 2003.

21. Воробьев А.Г. Определение теплового состояния ЖРД малых тяг. Тезисы докладов 9-ой международной конференции «Системный анализ и управление», Евпатория, 2004.

22. Воробьев А.Г., Козлов А.А., Абашев В.М, Игнатьев B.C., Мордовии В.З., Абашев О.В. Отчет о научно-исследовательской работе. «Разработка экспериментального жидкостного ракетного двигателя с тягой 200Н». МАИ. Москва. 2000 г.

23. Воробьев А.Г., Черваков В. В., Козлов А.А. Определение теплового состояния ЖРДМТ. Тезисы докладов Четвертого Международного Аэрокосмического Конгресса, Москва, Международный фонд попечителей МАТИ, 2003.

24. Воробьев А.Г. Математическая модель теплового состояния ЖРДМТ. Вестник МАИ. Т14, №4. Москва. 2007. С. 42-49.

25. Горностаев В.И. Термодинамический расчет двигателя. Красноярск: САА, 1994 г.

26. ГОСТ 17655-89. Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определения.

27. ГОСТ 22396-77 Двигатели Ракетные Жидкостные Малой Тяги. Термины и определения.

28. Данилов Ю.И., Дрейцер Г.А. и др. Экспериментальное определение коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи. М.: МАИ, 1980.

29. Дзюбенко Б.В., Ашмантас JI.B., Мякочкин А.С. Термодинамика. Вильнюс, 2006. -303 с.

30. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования. — М.: Машиностроение, 1968. 396 с.

31. Дрегалин А.Ф., Зенуков И.А., Крюков В.Г., Наумов В.И. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергоустановках. — Казань: КАИ, 1985.-264 с.

32. Зрелов В.Н., Серегин Е.П. Жидкие ракетные топлива. — М.: Химия, 1975. — 320 с.

33. Иевлиев В.М. Турбулентное движение высокотемпературных сплошных сред. М.: Наука, 1975.-256 с.

34. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. -488 с.

35. Исполов Ю.Г. Построение методов и организация алгоритмов численного интегрирования нестационарной задачи теплопроводности. Электронный журнал «Дифференциальные уравнения и процессы управления», №2 2002 г.

36. Калипиченко В.И., Кощий А.Ф., Ропавка А.И. Численные решения задач теплопроводности. -X.: Вища шк., 1987.

37. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука; 1964. - 488 с.

38. Козлов А.А., Абашев В.М. Расчет и проектирование жидкостного ракетного двигателя малой тяги. М.: МАИ.2003. — 36 с.

39. Козлов В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности. Мн.: Наука и техника, 1986.

40. Кокорин В.В., Рутовский Н.Б., Соловьев Е.В. Комплексная оптимизация двигательных установок систем управления. М.: Машиностроение, 1983. - 184 с.

41. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. — М.: ГИТТЛ, 1957. 408 с.

42. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. — М.: Машгиз, 1957. 244 с.

43. Кочетков Ю.Н., Савельев Г.Я., Аверкина В.Н. Методика определения энергетических характеристик ЖРДМТ // Ракетно-космическая техника, вып. 3 (136). НИИ тепловых процессов, 1992 г. 9-13 с.

44. Кошкин А.А. Расчет нестационарных тепловых потоков по заданной температуре поверхности тела. ЦИАМ. Труды № 535.

45. Кошкин В.К. и др. Нестационарный теплообмен. М.: Машиностроение, 1973. - 328 с.

46. Крюков В.Г., В.И. Наумов, А.В.Демин, A.J1. Абдуллин, Т.В.Тринос. Горение и течение в агрегатах энергоустановок: моделирование, энергетика, экология. М.: Янус-К, 1997. -304 с.

47. Крюков В.Н., Мясняпкин С.Ю., Солнцев В.П. Исследование тепловых процессов нестационарными методами. М: МАИ, 1996.

48. Кудрявцев В.М., Васильев А.П., Кузнецов В.А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. М.: Высшая школа, 1983. - 703 с.

49. Курпатенков В. Д., Кесаев Х.В. Расчет камеры жидкостного ракетного двигателя. М.: МАИ, 1993.-110 с.

50. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Москва — Ленинград: ГЭИ, 1958.-416 с.

51. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М: Атомиздат, 1962. — 456 с.

52. Луканин В.Н., Шатров М.Г. и др. Теплотехника. М.: Высшая школа, 2006. - 671 с.

53. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высш. Шк., 1967. - 600 с.

54. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. — 480 с.

55. Лыков А.В. Исследование нестационарного тепло и массообмена . Сборник статей. М. 1966.

56. Маслов А.Я., Манухов Ю.Я., Еремин В.В., Мелешкин А.С., Даньшин В.Е., Лексин

57. A.И. Протокол по испытанию изделия ДМТ МАИ-200 №1 проведенного 30.11.2000 на предприятии НИИХИММАШ. Февраль 2001. 90 с.

58. Маслов А.Я., Манухов Ю.Я., Еремин В.В., Мелешкин А.С., Зубкова С.И., Даньшин

59. B.Е., Лексин А.И., Голоядов Е.Н. Протокол по испытанию изделия ДМТ МАИ-200 №1 проведенного в период 14.03.2000-05.04.2000 на предприятии НИИХИММАШ. 343 с.

60. Маслов А.Я., Мелешкин А.С., Даньшин В.Е., Лексин А.И., Воробьев А.Г. Протокол по испытанию изделия ДМТ МАИ-200 №04 (чертеж МАИ 200С 1.01.010) проведенного 1819.07.2002 на предприятии НИИХИММАШ. Июль 2002. 13 с.

61. Миленко Н.П., Сердюк А.В. Моделирование испытаний ЖРД. — М.: «Машиностроение», 1974. 184 с.

62. Мошкин Е.К. Нестационарные режимы работы ЖРД. М.: Машиностроение, 1970. -336 с.

63. Мошкин Е.К. Динамические процессы в ЖРД. М.: Машиностроение, 1964. - 256 с.

64. Никитенко Н.И. Исследование нестационарных процессов тепло- и массообмена методом сеток. — М.: Наука, 1971. 266 с.

65. Пирумов У.Г. Обратная задача теории сопла. — М.: Машиностроение, 1988. — 239 с.

66. Полянин А.Д., Вязьмин А.В., Журов А.И., Казенин Д.А. Справочник по точным решениям уравнений тепло- и массопереноса. -М.: Факториал, 1998. 368 с.

67. Рабочие процессы в элементах ЖРД. Тематический сборник трудов института. — М.: МАИ, 1982.

68. Салахутдинов Г.М. Развитие методов теплозащиты жидкостных ракетных двигателей. -М.: Наука; 1984.-144 с.

69. Самарский А.А. Введение в численные методы. — М.: Наука, 1985. 269 с.

70. Самарский А. А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1989. — 616 с.

71. Самарский А.А., Тулин А.В. Численные методы. -М.: Наука, 1989.-432 с.

72. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.

73. Сергеев B.JI. Об экспоненциальном методе измерения тепловых потоков. Исследование нестационарного тепло- и массоперсноса. — Минск.: «Наука и техника», 1966.

74. Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование. ТИОМ. 1955. - 489 с.

75. Соколик А.С. Физика и химия реактивного движения. —М.: Иностранная литература, 1948.-200 с.

76. Солнцев С.С. Высокотемпературные керамические композиционные материалы и антиокислительные ресурсные покрытия. // 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007. Под ред. Каблова Е.Н. М.: «ВИАМ», 2007. - 438 с.

77. Солнцев С.С., Розенкова В.А., Исаева Н.В. Разработка и применение в авиакосмической технике стеклокерамических покрытий и материалов // 75 ле г. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007. Под ред. Каблова Е.Н. -М.: «ВИАМ», 2007.-438 с.

78. Термодинамические и теплофизические свойства индивидуальных веществ. Справочник в 2-х томах. Издание второе. Под редакцией академика Глушко В.П. — М.: Из-во АН СССР, 1962.

79. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник в 10-ти томах. Под редакцией академика Глушко В.П. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1971.

80. Тихонов А.Н., Костомаров Д.П. Вводные лекции по прикладной математике. — М.: Наука, 1984.- 192 с.

81. Токарев А.С., Грачев В.Д. Методика расчета теплового состояния стенки камеры сгорания // Ракетно-космическая техника, вып. 3 (136). НИИ тепловых процессов, 1992 г. 34-39 с.

82. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах (Астра.4/рс , Версия 1:09, Октябрь 1993). Описание применения.

83. Туманов А.Т. Справочник по авиационным материалам. М.: Оборонгиз, 1958.

84. Турчак Л.И., Основы численных методов. М.: Наука, 1987. — 320 с.

85. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980. - 277 с.

86. Харрье Д.Т., Рирдон Ф.Г. Неустойчивость горения в ЖРД. М.: Мир, 1975. - 872 с.

87. Цандер Ф.А. Проблемы полета при помощи реактивных аппаратов. М.: Оборонгиз, 1947.

88. Циолковский К. Э. Труды по ракетной технике. М.: Оборонгиз, 1947.

89. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники // Справочник, Атомиздат, 1968г. — 226 с

90. Шевяков А.А., Калнин В.М., Науменкова Н. В., Дятлов В.Г. Теория автоматического управления ракетными двигателями. — М.: Машиностроение, 1978. — 288 с.

91. Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. «Энергия», Ленинградское отделение. 1967. 300 с.

92. Ни Х.Р, Нои Z.X., Ma D.Y. A two-dimensional lime-dependent program for thermal analysis of liquid propellant rocket engines. A1AA-95-2850.

93. Kozlov A.A., Abashev V.M., Denisov K.P. ets. Experimental finishing of bipropellant apogee engine with thrust 200 N. 51st International Astronautical Congress. Rio de Janeiro, Brazil. October 2-6, 2000.

94. Kozlov A. A., Abashev V.M., Hinekel J.N. Organization of the working process in the small thrust engine LRESTH МАИ-200. 52nd International Astronautical Congress. Toulouse, France. October 1-5, 2001.

95. Kozlov A.A., Vorobiev A.G., Bazanova I. A., Borovik I.N. "Main lines of development of thrusters for reactive control systems of upper stage and spacecrafts". International Symposium on Space Propulsion (ISSP), Beijing, P.R.Chine. 2007. C. 177-190.