автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Процессы горения струй водорода в гиперзвуковом ракетно-прямоточном двигателе

_ -З'ДГС'ба1 -438 На правах рукописи

; » I) и н

/ 5 Ш0Г1 >593

Кузнецов Павел Павлович

ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ СТРУП ВОДОРОДА В ГППЕРЗВУКОВОМ РАКЕТПО-ПРЯМОТОЧНОМ ДВИГАТЕЛЕ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Специальность 05.07.05-Тепловые двигатели летательных аппаратов

Консультант: дти, шс, профессор, академик международной академии информатизации С.А. Клевцур

Москва 1998 г.

/

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском институте НПО "ЛУЧ"

Официальные оппоненты: Докгор технических наук, проф. Квасннков Л.А. Доктор технических наук. проф. Храброе В.А. Доктор технических наук Третьяков ПК.

Ведущее предприятие:

Государственный научный Центр "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова"

Защита состоится "_"___1998т. в_____часов

на заседании Диссертационного СовегаД 053.18.01 при Московском Государственном апнацнонном институте ( Техническом университете) по адресу: 125871, Москва. Волоколамское шоссе, д. -I.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АЬШ.

Двюреферн! разослан "____1998т.

■\'чепын секретарь диссертационного Совета кандидат конических наук, доцент

"¿.ИНнкнпореи

1.0БЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Работа направлена на исследование процессов горения струй нагретого водорода в гнперзвуховых ракетно-прямоточных двигателях, являющихся двигателями нового класса гиперзвуковых летательных аппаратов: Воздушно-космическнх самолетов(ВКС), Гиперзвуковых самолетов, конкретно направлена на создание гнперзвуковых ракетно-прямоточных двигателей (ГРПД), включая гиперзвуковыа атомные ракетно-прямоточные двигатели (ГАРПД).

Первые попытки разработки ВКС были предприняты начиная с 1960 г. [1,16,17,18,20], однако они были безуспешными по ряду причин, в том числе из-за того, что не были исчерпаны другие, более простые, технические средства для создания космических летательных аппаратов многократного применения с экипажем, большой полезной нагрузкой и возможностью выбора экипажем места посадки [21].

Современное состояние проблемы характеризуется разработкой крупной летающей модели шперзвукового прямоточного двигателя.

В качестве будущей задачи для ВКС может рассматриваться, например, предотвращение возможной катастрофы, которая может быть вызвана соударением Земли с астероидами [62 ].

Возможно также применение ВКС с ГАРПД для удаления с Земли в дальний космос высокорадиоактивных отходов атомной энергетики [62].

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является исследование процессов горения струй водорода и приложение нх к процессам в камере смешения н горения ГАРПД для обеспечения устойчивости воспламенения и горения струн водорода и выявления методов достижения высокой полноты тепловыделения наразлнчных режимах полетаВКС.

СВЯЗЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ С ПЛАНАМИ ОТРАСЛЕЙ ПАУКИ И НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

Работа, краткие результаты которой излагаются а диссертации, в различное время выполнялась по ряду планов и по инициативе автора.

Конкретные экспериментальные результаты по горению струй водорода были получены при проведении работ по планам создания системы поджигания выхлопной струн для обеспечения взрывобезопасности испытаний Исследовательского ядерного реактора ИВГ-1 [20].

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проблема создания Гиперзвукового атомного ракетно-пряыоточного двигателя включает две основные группы задач.

Первая группа задач относится к созданию высокотемпературного ядерного реактора для нагрева водорода до температуры ~2000К-2500К.

Сюда относятся задачи создания высокотемпературных материалов для тепловыделяющих элементов, высокотемпературных конструкционных материалов, теплоизоляции, и обеспечения условий их работы [17,24,20].

К этим задачам следует также отнести создание собственно конструкции ядерного реактора, системы регулирования, соплового аппарата и радиационной защиты.

Современное состояние работ по этой группе задач в диссертации рассматривается в разделе обзора литературы.

Вторая группа задач относится к изучению процессов воспламенения в камере смешения н горения гиперзвукового прямоточного воздушного контура двигателя н горения отдельных струй водорода

Эта часть проблемы создания ГАРПД и является основным предметом диссертационной работы. Выполненные исследования в этом направлении состоят из экспериментальных работ по горению струй водорода [1,4], теоретических работ по анализу результатов экспериментов, изложенных в [2,3,5,6,7,8,9 н яр.] и расчетных исследований процессов в камере ГАРПД

Разработка воздушного контура ГАРПД для ВКС предпринималась в США несколько раз, однако ни разу не была доведена до практического завершения [18], настоящей причиной этого являлось отсутствие понимания поведения пограничного слоя в диффузоре, камере

сгорания н сопле при больших сверхзвуковых н гиперзвуковых скоростях полета [18].

Диссертант включился в исследование этого вопроса в 19б4г, когда проводил эксперименты по горению струй нагретого водорода в лаборатории С.АКлевцура [1]. Тогда эксперименты показали существенное отличие механизма горения струй холодного водорода от механизма горения струй нагретого водорода, заключающееся в появлении самовоспламенения смесн в пограничном слое струн нагретого водорода.

Эксперименты выявили, что при самовоспламенении происходит возникновение крупномасштабных вихрей даже в пограничном слое факела горения ламинарной струн нагретого водорода.

Проведенные дополнительные эксперименты подтвердили первоначальные выводы о возникновении крупномасштабных вихрей в процессах самовоспламенения н горения струй нагретого водорода

Поэтому основной задачей дальнейших исследований стала разработка теоретической модели течения вещества в крупномасштабных вихрях на начальном участке плоской струн н построение на этой основе модели процессов воспламенения и горения в камере ГАРПД [2,3,5,6].

Прикладной задачей этих работ являлось создание системы поджигания выхлопной струн водорода, истекающей нз сопла экспериментального ядерного реактора ИВГ-1 , и обеспечение взрывобезопасностн выхлопа прн его испытаниях [20].

Важной задачей, возникшей впоследствии, явилась задача приложения полученных теоретических результатов по

крупномасштабным вихрям к решению конкретных технических задач, например в области обеспечения взрывобезопасностн накопителей тепла на фазоЕЫХ переходах хлоридов металлов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Методика проведения исследований по теме диссертации строилась в следующем порядке.

На первом этапе работ решалась задача экспериментального исследования особенностей процесса горения струй нагретого водорода в воздухе [1,4,7]. 4

После проведения опытов экспериментальные результаты были обработаны с помощью известных расчетных методов, вытекающих из теории пограничного слоя и из теории струй [25,33,34,35,36,37,38], с целью сопоставления экспериментально измеренных размеров факелов горения струй водорода с размерами, рассчитываемым по известным из литературы [ 8,54,57] зависимостям.

Результаты сравнения показали существенные отличия экспериментальных данных по длинам факелов горения струй нагретого водорода от длины факелов горения струй холодного водорода.

На втором этапе работ были проведены экспериментальные исследования горения крупномасштабных струй водорода в воздухе , зафиксированные с помощью киносъемки, подтвердившие основные результаты первого этапа работ в части протекания горения струй в крупномасштабных вихрях и соответствия размеров факелов горения этих струн тем же зависимостям, что и факелы горения струй с малым расходом водорода.

На третьем этапе работ были проведены теоретические исследования модели процесса смешения вещества струн с окружающей средой в крупномасштабных впхрях, названного вихревым соударением веществ [2,3,5,6,7].

Этот процесс является частным случаем процесса движения сплошной среды с обменом механической энергией [9].

Теоретические исследования позволили выполнить анализ и понять результаты ранее проведенных экспериментов по горению струй водорода и обобщить нх расчетными методами [4,6,7]. На этой основе были спрогнозированы условия обеспечения устойчивого воспламенения и горения в камере ГАРЦЦ [1,4,7,8] и методы управления процессами горения в камере.

На четвертом этане работ полученные теоретические результаты по крупномасштабным вихрям были применены также к анализу ряда практических задач, в том числе к анализу проблем взрызобезопасностн накопителей тепла на фазовых переходах рабочего тела.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

В ходе работы над диссертацией бьшн получены новые экспериментальные и теоретические научные результаты.

Первым новым экспериментальным результатом стало то, что проведенные опыты выявили возникновение явления самовоспламенения в пограничном слое факела горения струи нагретого водорода, приводящего к возникновению крупномасштабных вихрей н изменению формы и размеров факела Дальнейшее выгорание водорода в факеле горения происходит в этих крупномасштабных вихрях [19,37,42,46,47,48,49,50,51,52].

Вторым новын результатом стала разработанная автором теоретическая модель развития крупномасштабных вихрен, названная вихревым соударением веществ. Для описания этого процесса была привлечена полная система уравнений сохранения включая уравнение сохранения (генерации) момента импульса [2,3,5,6,7,9,26,27,28,29] .

Для обоснования проведенных теоретических исследований вихревого соударения веществ была разработана система уравнений движения сплошной среды с обменом механической энергией между отдельными частями сплошной среды [7,9,29,30,31,32,33,34].

Третьим новым научным результатом стали разработанные азтором представления о методах обеспечения устойчивости процессов самовоспламенения н горения в камере ГАРПД и управления процессом тепловыделения по длине камеры сгорания с помощью изменения состава н параметров рабочего тела в кольцевых соплах, расположенных вокруг сверхзвуковых сопел нагретого водорода [19,22,23,52,53,54,55,56,57]. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕНПОСТЬ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Первым практически важным результатом следует считать создание системы поджигания и обеспечение азрывобезопасностп выхлопной струи водорода при работе экспериментального ядерного реактораИВГ-1 [20].

б

Вторым практически важным результатом следует считать разработанную методику расчета процессов самовоспламенения струи нагретого водорода [5,6,7].

Третьим практически важным результатом следует считать предложения по обеспечению устойчивости самовоспламенения струй водорода и полноты тепловыделения в камере горения ГАРПД

Четвертым практически важным н также реализованным результатом следует считать применение ноделн вихревого соударения веществ к анализу взрывобезопасности накопителя тепла на фазовых переходах, использующего в качестве тешкшахопительного материала смесь солей [11,12].

Все перечисленные вопросы являются практически значимыми н новыми как по постановке задач,так и по полученным результатам.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Достоверность результатов работы подтверждена согласованностью результатов, полученных автором, с известными частными решениями, экспериментальной проверкой новых конструкций систем поджигания выхлопной струи экспериментального ядерного реактора ИВГ-1, а также работоспособностью созданных изделий, подтвержденной результатами натурных испытаний системы поджигания и натурных испытаний бытовых накопителей тепла.

Основные результаты работы опубликованы во Всесоюзных научных журналах начиная с 1974г: двух Препринтах ИАЭ, двух монографиях, в ряде сборников научных статей. Полученные промежуточные н итоговые результаты докладывались на ряде научных семинаров н конференций:

В ГНИИ НПО "ЛУЧ", в ЦИАМ, Троицком филиале института им И.В.Курчатова, в ЦНИИМАШ, в МАИ, в МГТУ, в Институте Проблем Механики РАН, в Институте Прикладной Математики ни М.В. Келдыша РАН, на четвертой Всесоюзной школе- семинаре "Методы гидрофизических исследований" в г. Светлогорске 1-7 мая 1992г, наХХП научных чтениях по космонавтике в Москве 27-30 января 1998г. на 27 Конференции инженерного общества США, Ргос. of 27 ГЕСЕ Conference

Vol 3 page 433, 1992, на Всероссийском семинаре памяти АС. Предводителева в 1997г.

Основные практические результаты работы были апробированы на предприятиях: ГНИИ НПО "ЛУЧ", НИИХИММАШ, в СЕМИПАЛАТИНСКОМ Филиале НИИ НПО "ЛУЧ", КБХИММАШ, в ООО РК 'Теновацня".

ПУБЛИКАЦИИ

По результатам работы было опубликовано!6 печатных работ, приведенных в конце автореферата, в том числе 2 Патента РФ н четыре доклада на конференциях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

РАЗДЕЛ 1. ГИШРЗВУКОВЫЕ РАКЕТПО -

ПРЯМОТОЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ (обзор литературы).

1.1 Гиперзвуковые ракетно-прямоточные н атомные ракетно-прямоточные двигатели

Гнперзвуковые атомные ракетно-прямоточные двигателя были предложены в ЦИАМ в I960 г. диссертантом с соапторами на базе работ по ЯРД проводившихся группой инженеров под руководством В.А Штоколова и работ по сверхзвуковому горению в гнперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателях, которые в это время прсводнлнсь под руководством ЕС. Щетннкова [22].

На рисунке1 приводится принципиальная схема ГАРПД, включающая гнперзвуковой воздушно-реактивный контур двигателя и высокотемпературный ядерный реактор. Скорость воздуха на входе в камеру зависит от траектории полета ВКС и может быть сверхзвуковой.

Водород нагревается з ядерном реакторе н подается для сгорания в воздушный контур через сопла, являющиеся сверхзвуковыми, поскольку давление водорода в ядерном реакторе составляет десятки атмосфер и перепад давления в сопле, превышает критический. Это обстоятельство

определило особенности рабочего процесса в камере горения ГАРПД, в частности, горение на большей части траектории полета должно происходить при сверхзвуковых скоростях течения водорода и воздуха на входе в камеру смешения и горения.

Работы по исследованию процессов горения в ГАРПД ориентировались на совмещение двигательной установки н летательного аппарата типа ВКС [63], что позволило выявить основные особенности ГАРПД н технические требования к двигательной установке [63,17,18,19].

Проблема создания ГАРПД включает два важных направления

работ:

во-первых, это создание гиперзвукового прямоточного воздушного контура двигателя, работоспособного в широком диапазоне скоростей полета,

во-вторых, это создание компактного высокотемпературного ядерного реактора для нагрева водорода до 2000-2500К, включая создание радиационной защиты экипажа и обслуживающего персонала

Работы по обоим направлениям должны проводиться параллельно, поскольку иначе нельзя оценить их взаимные технические требования, в том числе основанные на траекторных данных ВКС.

В связи с большой потребной входной площадью диффузора и площадью сечения камеры горения была выявлена необходимость объединения конструкции воздушного контура двигателя с конструкцией корпуса летательного аппарата, такого, что бы практически весь воздух, обтекающий летательный аппарат, затем использовался в рабочем процессе в камере двигателя, но при этом суммарный вес конструкции двигателя и ВКС был бы минимален. На рис. 2 приведен общий вид ВКС АЗРШ-1, разработанного в США по техническому заданию ВВС.

Как показали работы Е.С. Щетинкова [22] и последующие сведения о работах А. Феррн с сотрудниками [19,48,49], горение в камере гнперзвукового ракетно-прямоточиого двигателя должно осуществляться при сверхзвуковом течении водорода и воздуха. Это следует нз специфики двигателя, а также необходимо для управления процессами смешения и горения водорода в камере горения.

Камера горения двигателя должна быть переменного сечения для того, чтобы избежать ее теплового задирания на различных режимах полета ВКС. Размеры поперечного сечения камеры горення двигателя в сечении окончания горення должны меняться системой управления двигателя при движении ВКС вдоль траектории полета.

Рабочий процесс в камерах горения такого тппа не был изучен экспериментально, отсутствовали соответствующие методики расчетов процессов горення и характеристик двигателя.

В частности, не был известен реальный закон тепловыделения по длипе камеры, поэтому хотя на первом этапе проектных исследований ВКС упрощенный подход к расчетам характеристик ГАРПД со сверхзвуковым горепнем был допустим для предварительных расчетов траекторий полета, однако он недостаточно достоверен для технического проектирования ВКС с ГАРПД [12,17,18,20,21,22].

1.2 Ядерные ракетные двигатели , ядерные реакторы и радиационная jsmwra.

Вторая часть проблемы создания ГАРПД связана с высокотемпературным ядерным реактором, способным нагреть большой расход водорода до ~2000-2500 К.

За последние 35 лет эта проблема разрабатывалась в связи с попытками создания ЯРД и многие технические вопросы, особенно в области создания высокотемпературных материалов, были существенно продвинуты вперед как в СССР, так н в США, что отражено в трудах совместной Российско-Американской научно-технической конференции [20], проведенной в г Семипалатинске в 1992 году.

На рисунке 3 представлены ЯРД КГЛ , NERVA и ядерный реактор ФОБОС, разработанные, изготовленные и испытанные в США. Ядерный реактор ФОБОС предназначался, по мнению диссертанта, для ВКС ASPEN-1.

На рис. 4 представлена принципиальная схема ЯРД, разработанная в США и СССР [24] пригодная также для применения в качестве схемы системы подачн водорода в ядерный реактор ГАРПД.

Ядерный реактор ГАРЦЦ состоит из активной зоны, отражателя, охлаждаемого корпуса с соплом н системы управления. Активная зона гетерогенного типа состоит из технологических каналов , замедлителя и элементов системы управления и защиты. Технологические каналы состоят нз высокотемпературных тепловыделяющих элементов, высокотемпературной опорной конструкции этих элементов, высокотемпературной теплоизоляции, охлаждаемых металлических корпусов н датчиков системы измерений параметров рабочего тела

Радиационная защита расположена вокруг ядерного реактора, состоит нз ряда слоев, имеющих различное функциональное назначение, и окружена герметичным силовым корпусом.

Внутренние слон радиационной защиты состоят из материалов с максимальной плотностью, например нз металлического урана 238, вольфрама и тому подобных материалов. Следующие слои должны замедлить и поглотить нейтронный поток нз активной зоны, они состоят нз воды, гидрида лития, бора и тому подобных материалов. Радиационная защита ГАРЦЦ должна быть круговой с переменной толщиной слоев защиты в различных направлениях. Сложным элементом конструкции является вывод через силовой корпус нагретого водорода так, чтобы в случае необходимости этот вывод можно было бы перекрыть.

Исследования радиационной защиты для самолета показали необходимость разделения ее на две части, расположенные одна вокруг ядерного реактора, и другая вокруг кабины экипажа

Разделение радиационной защиты необходимо как для обслуживания ВКС на Земле, так и для обеспечения радиационной безопасности населения при возможной аварии ВКС как на земле, так и в полете.

Наличие радиационной защиты кабины экипажа позволяет ВКС летать в зоне радиационных поясов, приближаться в космосе к раднацнонно опасным объектам и перевозить радиоактивные грузы.

Достигнутый уроаень техники в области создания ЯРД [20] позволяет разработать, изготовить и испытать необходимый высокотемпературный ядерный реактор и радиационную защиту за

короткое время, необходимое для разработки и реализации проекта воздушного контура ГАРПД

Работы по ВКС и ЯРД рассматриваются в диссертации в качестве литературного обзора

13 Характеристики ГРПД и ГАРПД

На рис 5 представлен вариант характеристики ГАРПД, соответствующий горизонтальному взлету ВКС с аэродрома, разгону до числа М=1,5, когда возможен переход к режиму работы РПД, и последующий переход к режиму ГРПД, ГАРПД и режиму работы ЯРД в космосе.

Специфической особенностью этой характеристики является работа одного и того же двигателя на всех перечисленных выше режимах, регулируемых за счет внутренних возможностей двигателя, связанных с подачей нагретого водорода в камеру в виде струй, параллельных струям воздуха н струям воды (и водяного пара), сливаемой из радиационной защиты реактора. Предполагается также изменение поперечного сечения воздушного тракта двигателя. Таких возможностей регулирования нет у других типов двигателей н это важно при выборе дангателя для ВКС. В противоположность этому на ВКС АБРЕ^М применены двигатели нескольких типов, что усложняет двигательную установку.

Однако необходимо иметь ввиду, что это пока лишь рекомендации, требующие экспериментальной отработки на стендах и лётных моделях.

РАЗДЕЛ 2. ГОРЕНИЕ ВОДОРОДНЫХ СТРУЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОБЛЕМЕ СОЗДАНИЯ ВОДОРОДНОГО РПД И ГАРПД 2.1. Посггяопка задачи

На рисунке 6 представлена мгновенная фотография вихревой структуры, возникающей в пограничном слое струн н окружающей среды [25]. Видна дзухвихревая структура и взаимно чередующиеся слон воздуха и углекислого газа. Смешение их на молекулярном уровне происходит в узкой зоне на спиральных границах ветвей вихря н в центре ядра вихря.

Вихревая система непрерывно движется и подобно меняет своп размеры. Аналогичная вихревая картина наблюдается и при смешении других газов, например водорода с воздухом.

Очевидно, что чрезмерное упрощение в анализе физико-химических процессов в такой сложной структуре течения может привести к потере понимания этих процессов н невозможности создания работоспособных изделии, в которых должны реалнзовывагься эти процессы Прежде всего это должно приниматься во внимание при смешении струй нагретого водорода с воздухом, особенно при гиперзвуковых скоростях полета, когда процесс смешения сопровождается самовоспламенением смеси, по своему составу далекой от стехнометрнческого состава.

Поэтому изучение процессов смешения в вихрях и последующих процессов самовоспламенения смеси составили основную часть работы

Для оценки проблемы горения в ГАРПД диссертантом в 1964г в лаборатории С.А Клевцура в ИФХ были проведены экспериментальные исследования по горению струй нагретого водорода, которые выявили [1] отличие реального процесса горения струй нагретого водорода в воздухе от известных представлений [8,36,38,48,52], вызванное самовоспламенением водородно-воздушной смеси нестехиометрического состава, образующейся в пограничном слое струи, а также возникновением в пограничном слое при его самовоспламенении крупномасштабного вихря и последующим выгоранием снеси в вихре при движении его вдоль оси факела [1]. Этот процесс реализуется фактически вместо принятой ранее расчетной схемы выгорания водорода на внешней поверхности факела во фронте горения снеси стехнометрнческого состава [36,38]. Выяснилось, что все особенности процесса горения определяются крупномасштабными вихревыми образованиями, возникшими на границе смешения струи водорода и воздуха [1,4,10].

Для выявления физического смысла процессов в крупномасштабных вихрях автором была разработана физическая модель вихревого соударения веществ и её математическая модель [2].

Согласно физической модели вихревого соударения генерация н развитие вихря рассматриваются как следствие действия

непотенциальных сил инерции, возникающих в процессе вихревого соударения невязких веществ, являющемся неупругим в плане последующего поступательного движения смеси с одинаковой скоростью, совпадающей со скоростью движения центра вихревого соударения. Но этот процесс отличается от неупругого соударения вязких тел тем, что здесь не происходит мгновенной вязкой диссипации избытка кинетической энергии, образующегося в процессе неупругого соударения, и поэтому часть избыточной кинетической энергии воспринимается в форме кинетической энергии веществом струп, а часть передается в виде работы вихревого соударения веществу окружающей среды.

Избыточная кинетическая энергия воспринимается веществом окружающей среды также в форме кинетической энергии поперечного (трансверсального) движения соударившнхся масс и энергии избыточного давления этих масс.

В связи с этим, основная часть последующих экспериментальных и теоретических исследований, выполненных диссертантом, была связана с изучением физической и математической моделей течения вещества в крупномасштабных вихрях н теоретическому описанию процессов горения в водородо-воздушном пограничном слое на начальном участке струн н в факеле горения струй нагретого водорода

За основу при изучении течения была принята схема двухвнхревой структуры, возникающей в пограничном слое на начальном участке плоской струн, которая представлена на рнс 7.

Во-первых, былн изучены процессы смешения струн с окружающей средой без горения.

Было разработало теоретическое описание модели вихревого соударения веществ в крупномасштабных вихрях и для обоснования его была разработана общая система уравнений данження сплошной среды с обменом механической энергией между отдельными частями ей [9].

Во-вторых, было проведено сравнение расчетного описания известных экспериментальных данных по начальным участкам плоских струй, выполненного по методике, разработанной на основе представлений о вихревом соударении веществ, с результатами ранее

выполненных измерений, подтвердившее достоверность разработанной методики расчета [2,3,5,6,7].

После этого были проанализированы экспериментальные данные по горению струй нагретого водорода, получение автором в ходе работы [1], и в результате этого были выявлены условия самовоспламенения смеси водорода с воздухом в вихре [1,4,6,7,8].

В третьих, полученные в результате анализа данные бьиш применены к прогнозированию процессов самовоспламенения и горения водорода, нагретого в ядерном реакторе, в камере горения ГАРПД.

В четвертых, этот результат был приложен к анализу факелов горения крупногабаритных струй водорода, характерных для экспериментального ядерного реактора ИВГ-1.Сопоставление показало возможность переноса результатов по определению размеров факелов ,полученных на малых струях водорода, на полномасштабные факелы горения натурных струй.

12. Движение сплошной среды с обменом механической энергией. -

Со времен Л. Эйлера сплошная среда рассматривалась как идеальная жидкость и течение её рассматривалось как адиабатическое [28,29,30,31,32,33,36 н др.].

Фактически подавляющее количество процессов течения сплошной среды являются нестационарными и сопровождаются обменом импульсом, энергией и моментом импульса.

К таким процессам относятся все случаи турбулентных течений в пограничном слое на стенке и на границах струй. Особенно важно, что этот процесс происходит на входе в камеру горения при смешении струй водорода и воздуха, прошедшего горло диффузора.

В данном разделе автореферата из-за сложности материала соответствующего раздела диссертации приводится только его конечный результат, который можно изложить следующим образом.

В нестационарных процессах течение сплошной среды сопровождается возникновением и действием внутри жидкости сил инерции движущихся масс сплошной среды. Эти силы можно выразить

тензором сил, который может быть записан либо через поверхностные силы, либо через массовые силы. Оба выражения тензора эквивалентны, но поскольку силы инерции, имеют направления, ориентированные относительно траектории движения жидкой частицы, н учитывая свойства невязкой жидкости, в которой не может быть касательных напряжений, то поэтому выражение тензора сил инерции через массовые компоненты предпочтительнее. Тензор сил ннерцни является тензором второго ранга. Дивергенция этого тензора может быть представлена в правой части уравнения импульсов, записанного как в форме уравнения Эйлера, так и в форме уравнения Навье-Стокса.

Наличие сил инерции в правой части уравнения импульсов дает возможность определить нестационарную производную с?и/Й через эти силы.

Тензор сил ннерцни является по своему содержанию работой этих

сил.

Работа сил ннерцни может быть представлена в правой части уравнения энергии, в результате работы этих сил процесс течения сплошной среды перестает быть адиабатическим.

Под действием сил инерции, в том числе радиальной компоненты этих сил, генерируется момент импульса, что выражается уравнением изменения момента нмпу.пьса, которое удобно представить в виде изменения Гельмгольцпана течения.

Давление внутри жидкости необходимо рассматривать как сумму компонент давления потенциального течения и поверхностных импульсивных компонент тензора сил инерции, ориентированных вдоль тангенциального и радиального направлений траектории движения жидкой частицы.

В идеальной жидкости течение сплошной среды рассматривается потенциальным, сил инерции нет, течение является адиабатическим и генерация момента импульса запрещена [29,30,31 и др.] . Уравнения течения как идеальной, так и вязкой жидкости являются частным случаем системы уравнений течения сплошной среды с обменом механической энергией.

Система уравнений течения сплошной среды с обменом механической энергией записывается в дифференциальной форме, однако некоторые члены уравнений содержат интегральные параметры, например радиус кривизны траектории движения жидкой частицы.

Эта система уравнений представлена в диссертации [9,10].

2Л Модель вихрепого соударения веществ

Модель вихревого соударения веществ разработана для следующей схемы течения. Вихревое соударение веществ рассматривается в примыкающих друг к другу полупространствах, заполненных движущейся окружающей средой и струей и разделенных между собой стенкой с острой кромкой (сопло), которая рассматривается как центр зарождения вихрей [2,3,5,6,7]. Конфигурация течения принята двухвнхревой и подчиняется закону гомотетии (автомодельности). Точка касания двух квазитвердовращающихся ядер вихрей пары названа центром вихревого соударения

Решение задачи рассматривается в подвижных относительных координатах, связанных с центром вихревого соударения Все линейные размеры в этих координатах отнесены ко времени движения центра координат от кромки сопла до текущего положения I. В этих координатах все линейные отрезки имеют размерность скорости и перемещения веществ суть ускорения. Параметром течения является относительное время движения жидкой частицы от данного положения "к" в струйке тока "У до внешней эллиптической границы ядра вихря. Переменные ( ¡, к) являются Лагранжевымн координатами жидкой частицы.

Применение относительных координат сводит задачу нестационарного вихревого течения, обладающего свойством гомотетии, к стационарному течению. Область вихревого течения в относительных координатах может быть локализована границами в виде совокупности линий токаи линий, проведенных по жидким частицам, характеризуемым одинаковым относительным временем 1.

Рассматривается один цикл развития вихревой структуры от ничтожно малых размеров у кромки сопла до достижения внхреы границ

течения (стенок). Вещества струн и окружающей среды рассматриваются невязкими, несжимаемыми, плотность равна р[ и р> соответственно.

Скорости струн ■ и окружающей Среды равны \¥ю и соответственно, скорости постоянные по объему веществ и по времени. Угол между скоростями равен р. Для определенности принято: т=[\У2оЛУю]<1. Давления веществ в невозмущенной части течения постоянны и равны РцрРд. Начальная завихренность веществ отсутствует пй \У=0.

Положение точки в пространстве относительны:; координат задается радиусом-вектором 11=1Ъс+11у, проведанным из центра подвижных относительных координат. Траясв ер сальная скорость №'(. Это физически существующая скорость движения вещества относительно центра подвижных относительных координат. Трансверсалытая скорость может быть представлена как сумма виртуальной скорости V и радиуса-вектора Я, являющегося по существу скоростью движения точки ( У,к ! относительно центра координат: \Vt~Vt-R.

Виртуальная скорость равна сумме скорости собственного вращения \'ь' н переносной Уш. \'=\'.ч +• \'т.

В подвижных относительных координатах вещество внутри вихря перемещается от периферии к центру ядра пнхря и поскольку размеры вихря в этих координатах постоянны, то возникают стоки относительной массы.

Перемещение жидких частичек к центру ядра пнхря соответствует перемещению в область меньших значений парамефа относительною времени т, то есть соответствует отрицательному ирпращеншо времени .

Особенность подвижных относительных координат состоит в том. что виртуальная скорость V изменяет Л. т.е. изменяет скорость движения точки, а значит является ускорением. Однако наряду с ускорениями, равными скоростям существуют глюке и изменения инк екороси'И. являющиеся в прямом смысле слова ускорениями:

а„-- д \У(/(-<5 О = а., ь Ил-; -ускорение фансверсалмюн скорости. а»= ~ I- (б\'га/(-<Н)]. - ускорение виртуальной

скорости.

а«, = [Л^/Я, ] ; - центростремительное ускорение собственного вращения.

Имеются также угловые скорости и ускорения и ускорения вихревого соударения (потери скорости при соударении ), а также имеются ускорения дрейфа.

Система уравнений внхревого соударения содержит три группы уравнений.

Первой группой уравнений являются дифференциальные уравнения динамического равновесия жидкой частицы.

Второй группой уравнений являются уравнения сохранения дня струйки тока, содержащей рассматриваемую выше жидкую частицу. Вторая группа уравнений является первым интегралом первой группы . уравнений по пространству струйки тока

Третьей группой уравнений являются уравнения сохранения для области внхревого соударения веществ. Третья группа уравнений является вторым интегралом первой группы уравнений или первым интегралом второй группы уравнений.

Таким образом, представленная далее система уравнений вихревого соударения является решением в конечном виде как дифференциальных уравнений движения сплошной среды, так и её интегралов, причем решение получено как для вещества струн, так н для вещества окружающей среды.

Однако, система уравнений представлена ниже начиная с третьей группы уравнений в связи с тем, что в относительных координатах область трансверсального внхревого течения имеет постоянные размеры, в связи с чем к этой области можно применить наиболее общие в механике законы сохранения: массы, импульса, момента импульса и энергии. В данном случае.

Эти законы и станут вторыми интегралами первой группы уравнений.

Мс= Мс1 + Мс2, - закон сохранения массы,

Мю*\Ую + Мм*\У2о = (Мю +М»)*1У6 - закон сохранения импульса,

Мс[*\У1ю*Ксю= Мег *Ис ¡о - закон сохранения момента

импульса,

{[Mci*Wio3/2 ]+ [Mc2*W2o2/2]}= {[Mio +M2o]*W02/2} +Мю*Ею + Ми*Е2о - закон сохранения энергии.

Из закона сохранения массы следует, что приток массы в выделенную зону должен сопровождаться оттоком массы с отрицательными источниками массы, равномерно расположенными по всей площади ветвей вихря

Наличие отрицательных источников массы, равномерно расположенных по площади ветвей вихря, приводит к условию постоянства массовых значений импульса, момента импульса и энергии по всей площади ветвей вихря.

Поскольку в вихре происходит обмен импульсом, моментом импульса п энергией, то указанное выше постоянство массовых значений этих величин по всей площади ветвей вихря означает, что в эти значения должны входить наряду с фактическими значениями также и соответствующие величины, переданные второму смешивающемуся в вихре веществу.

Этот вывод позволяет получить в конечном виде значения первых интегралов дифференциальных уравнений для динамического равновесия жидких частиц.

Из закона сохранения импульсов можно в конечном виде получить скорость движения центра вихревого соударения W0 и величину соотно-

3___

шення масс смешивающихся в вихре веществ М=Мго /MioW р 21 р ь

Аналогичные законы сохранения можно применить к отдельной жидкой частице, это будут первые интегралы дифференциальных уравнений динамического равновесия жидкой частицы.

Поскольку процесс течения вещества в вихре сопровождается изменением скорости течения по величине и по направлению, то в уравнении сохранения импульса должны войти дополнительные члены, компенсирующие изменение скорости и по модулю и по направлению. Такими членами могут быть только импульсы сил, равных и противоположно направленных силам, вызвавшим изменение скорости. Такими силами являются силы инерции.

Таким образом, силы инерции вводятся в уравнения сохранения импульса, момента импульса и энергии.

Момент сил инерции при изменении момента импульса вещества относительно центра вихревого соударения переходит в момент импульса собственного вращения.

Момент импульса при передаче импульса второму веществу переходит к этому веществу , этот процесс определяется моментом импульса скорости, потерянной в процессе вихревого соударения.

Изменение энергии вещества происходит в результате совершения работы одного вещества над другим, соответствующее выражение работы входит в уравнение сохранения энергии.

Третья группа уравнений состоит из линейных п угловых уравнений динамического равновесия жидкой частицы, в которых отражены как ускорения жидкой частицы, так и внешние силы, равные н противоположно направленные по отношению к силам инерцнн.

В третью группу уравнений входит также уравнение работы, совершаемой данной жидкой частицей над соседними.

Полученная система уравнений позволяет определить все параметры течения в возмущенной области вихревого течения, в том числе скорость и размеры квазитвердовращающихся ядер вихрей, состав смеси, температуру и время пребывания смеси в центре ядра внхря, длину начального участка струи. Все полученные результаты могут быть применены для анализа процессов смешения и горения в камере горения ГАРПД.

2.4. Сравнение модели вихревого соударения с экспериментами на струях

На основе модели вихревого соударения веществ были разработаны методики расчетов:

размеров вихрей в пограничном слое струи, времени существования вихрей и состава, температуры и времени существования смеси веществ в центрах вихрей.

Для проверки методик расчетов полученные на их основе расчетные данные были сопоставлены с известными автору из литературы

экспериментальными данными, получено их хорошее соответствие [1,5,7,8,9 н др].

Кроме того, было проведено сравнение расчетных данных по факелам горения струй нагретого водорода с экспериментальными данными, полученными автором [1,7,8,9]. На рнс.8 приведены данные изменения размеров факела горения ламинарных струй водорода в зависимости от температуры водорода. При температуре 1000-1100К происходит турбулизация факела. Разработана методика расчетов размеров факела, учитывающая экспериментальные данные.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности широкого применения и высокой результативности разработанной методики и о целесообразности приложения её к сложным случаям течения горючих газов.

2.5.Горение крупномасштабных струй водорода.

Для оценки влияния масштаба струн на размеры и форму факела горения были проведены экспериментальные исследования факела горения выхлопной струи экспериментального ядерного реактора ИВГ-1, представленные нарнс.9. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о сохранении модельного характера течения в факеле н о пригодности полученной на малых струях расчетной зависимости размеров факелов горения для расчета размеров факелов горения крупных струй водорода.

2.6 Горские струй нагретого водорода в камере горения

ГАРПД.

Наибольший интерес для диссертанта представляло приложение разработанных методик к анализу течения в камере горения ГАРПД Однако специфика рабочего процесса в камере ГАРПД заключающаяся в сверхзвуковой скорости течения водорода, приводит к необходимости применить методики расчетов в области течения, не проверенной прямыми экспериментами. Поэтому выводы данного раздела диссертации носят, во многом, характер прогноза, особенно когда речь вдет о сверхзвуковой скорости воздуха на входе в камеру горения.

Рабочий процесс в камере горения ГАРПД предлагается организовать в виде диффузионного смешения и горення параллельных

струй нагретого в ядерном реакторе водорода н воздуха. Аналогичное предложение исходило также от А.Феррн [46].

Основными преимуществами такого способа организации процессов в камерах ГРЦЦ н ГАРПД является следующее.

Во-первых, водородные ГРЦЦ и ГАРПД предполагается использовать в широком диапазоне режимов полета, начиная с малых дозвуковых скоростей и кончая гиоерзвуковыми и орбитальными скоростями. При этом на некоторых режимах полета в камере могут быть дозвуковые скорости движения смеси, а на других сверхзвуковые. В таких условиях нельзя организовать устойчивое горение иначе, как диффузионное.

Во-вторых, Эффективность водородных ГРПД и ГАРПД получается тем выше, чем выше температура торможения водорода, поэтому при любом методе смешения водорода с воздухом есть условия для самовоспламенения смеси. Диффузионное горение является естественным методом, позволяющим снять любые ограничения на температуру водорода и воздуха.

В третьих, совмещение смешения и горения упрощает регулирование камеры горения н сводит его к простому изменению проходных сечений камеры и сопла и параметров газов на входе в кольцевые сопла

Для диффузионного горения важно обеспечить устойчивость самовоспламенения смеси на всех режимах работы камеры и обеспечить полноту тепловыделения энергии при сжигании нестехиометрнческих смесей.

Технические задачи, связанные с обеспечением этих требований рабочего процесса и являются основными в деле практической реализации такого типа двигателей.

Камера горения ГАРПД должна иметь длину, достаточную для проведения следующих основных стадий процесса

1.Участок организации процесса смешения для получения первичной смеси.

2.Участок смешения первичной смеси с воздухом и выгорания этой смесн.

3.Участок завершения реакции горения и обеспечения полноты тепловыделения.

Для ГАРПД типичная скорость движения смеси составляет 2-3 км/с, что при ограничении длины камеры горения величиной 3-7 метров требует времени горения не превышающего 0,0001сек и времени задержки воспламенения не превышающего 0,000025 сек. Отсюда можно определить температуру водорода, диаметр сверхзвукового сопла водорода я диаметр кольцевого сопла водорода, которое позволяет регулируя подачу в Него водорода регулировать полноту знерговыделення и закон тепловыделения по длине камеры На рис 10 приведено время задержки самовоспламенения нестехнометрической снеси водорода н воздуха на границе смешения струн в зависимости от температуры водорода а воздуха Видно, что время 0,0001 секунды и менее может быть реализовало практически вдоль всей траектории полета ВКС с ГАРПД

На основе этих данных при проектировании может быть определен характерный размер воздушных каналов диффузора на входе в камеру горения и диапазон ретулироваяня этих размеров.

РАЗДЕЛ 3. ПРОЦЕССЫ ВИХРЕВОГО СОУДАРЕНИЯ В ТЕХНШСЕ Может быть названо много случаев, в которых можно применить модель течения сплошной среды к решению конкретных задач. Одним из таких случаев является применение модели вихревого соударения для анализа причин взрьгвр ампулы накопителя тепла на фазовых переходах тройной смеси солей: натрия, калия и магния, произошедшего при испьгтаяин.

Как выяснилось в результате проведенного расчетного анализа и анализа экспериментальных данных испытаний последующих образцов изделий, свободная полость ампулы в процессе работы накопителя тепла на смеси солей капля, магння и натрня заполняется газообразным водородом, который вьщеляется в результате распада гндроксильной группы, удерживаемой солью магния. Кислород, выделяемый при этом, вступает в реакцию с солью калия и образует Бертолетову соль. При температуре около 350С Бертолетова соль распадается с выделением

кислорода внутрь полости, в которой находится водород Образующаяся "гремучая смесь" самовоспламеняется с образованием паров води.

В процессе охлаждения ампулы пары воды конденсируются на верхней поверхности соли, обогащают его водой, которая вновь разлагается на водород и кислород с образованием Бертолетовой солн преимущественно в верхнем слое соли.

По мере проведения териоциклирования происходят выбросы кислорода из Бертолетовой соли в газовую полость во все . большем количестве.

Постепенно (за15-25 циклов) в поверхностном слое смеси солей образуется столь большое количество Бертолетовой солн , что при распаде она выделит столько кислорода, что энергия взрыва "гремучей смеси" будет достаточна для разрушения корпуса ампулы.

Проведенные расчеты по модели вихревого соударения стальной стенки с движущимся слоем соли позволили определить толщину слоя смеси солей (~3мм), при которой взрыв разгоняет этот слой до скорости, при которой механическая энергия этого слоя солн становится достаточной для ударного разрушения стенки ампулы.

Полученные по методике вихревого соударения расчетные результаты показали хорошее совпадение расчетного давления в газовой полости ампулы перед разрушающим взрывом (~25 атмосфер) с измеренным в экспериментах

РАЗДЕЛ 4. НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации автор защищает следующие разработанные им новые научные результаты и полученные выводы.

1.Разработанная методика расчета характеристик ГРПД и ГАРПД н проведенные 4 расчетные исследования позволили обосновать принципиальную схему воздушного контура гиперзвукового ракетно-прямоточного двигателя и гиперзвукового атомного ракетно-прямоточного двигателя, включающую для ГАРПД: струйный смеситель водородных струй с водой, сливаемой из радиационной защиты, н воздухом, содержащий решетку сверхзвуковых сопел с кольцевыми соплами, камеру смешения и горения первичных продуктов смешения с воздухом, сверхзвуковое сопло воздушного контура, систему подвижных

панелей п систему регулирования параметров рабочего тела на входе в хольцевые сопла для регулирования процессов тепловыделения по длине камеры

2.Проведепы исследования особенностей процессов горения в воздухе струй водорода, нагретого до температуры 1300-2000К, достаточной для нагрева водородовоздушной смеси в вихрях до температуры самовоспламенения, что характерно для гпиерзвуковых атомных ракетно-прямоточньи двигателей воздушно-космических летательных аппаратов. Эти особенности связаны с тем, что самовоспламенение водорода происходит в нестехпоыетрпческих смесях, возникающих в процессе образования крупномасштабных вихрей, возникающих в процессе смешения струй водорода с воздухом. Эти смеси существуют в течение всего времени существования крупномасштабного вихря в пограничном слое струи. В течение времени задержки самовоспламенения смеси в ядрах вихрей возникает пламя, которое разрушает вихри, изменяет структуру пограничного слоя и начинает процесс выгорания этой первичной смеси. При этом происходит смешение продуктов горения первичной нестехиометрической смеси с воздухом ,нли с водородом, в зависимости от коэффициента избытка воздуха в двигателе, и выгорание этой вновь возникающей вторичной смесн.

3.Существование крупномасштабных вихрей в пограничных слоях затопленных струй было доказано экспериментально рядом авторов в Германии , СССР и США.

В экспериментах автора было также показано их образование на начальном участке, факела горения струй нагретого водорода. В диссертации приведена разработанная автором расчетная модель смешения струн и окружающей среды в крупномасштабных вихрях, и созданная на её основе методика расчета процессов смешения н самовоспламенения первичной смесн. Модель смешения струн и окружающей среды в крупномасштабных вихрях содержит уравнения сохранения массы, импульса, момента импульса и энергии для возмущенной области вихревого движения, уравнения сохранения дня жидкой струйки тока внутри возмущенной области а также уравнения

динамического равновесия жидкой частицы внутри струйки тока под действием ненотенцнальиых сил вихревого соударения веществ. Сравнение экспериментальных данных по длинам начальных участков без пламени факелов горения струй нагретого водорода с результатами расчетов по разработанной методике показывает их хорошее соответствие.

Решение в данной модели течения ищется в подвижных относительных координатах, в которых все линейные параметры отнесены ко времени существования вихря. Координаты неинерциальные, течение в них стационарное, сопровождаемое виртуальными стоками массы в вихре. Область вихревого течения можно очертить границей, проходящей по жидким частицам, одновременно притекающим к эллиптическим границам ядра вихря. Эта область находится в динамическом равновесии. С целью получения решения задачи вихревого соударения б конечном виде рассматриваются: область вихревого течения как целое, жидкая струнка тока как часть этого целого н отдельная жидкая частица как часть струйки тока.

К области в целом применены интегральные законы сохранения массы, импульса, момента импульса и энергии в этой области, что позволило определить параметры течения области в целом, скорость движения центра вихревого соударения Шб и соотношение масс , смешивающихся в вихре

з_

веществ, равное М=(М2/М1)= ^р^/р! .

К жидким стрункам тока также применены интегральные законы сохранения массы, импульса, момента импульса н энергии веществ в трансверсалыюм движении в данной струйке тока, выявившие постоянство массовых значений импульса, энергии и момента импульса веществ во всей области вихревого течения, записанных с учетом энергообмена с веществом окружающей среды.

К жидким частицам были применены уравнения динамического равновесия жидких частиц под действием инерционных енл (2, определяемых воздействием на неё соседних жидких частиц.

Эти уравнения содержат: две линейные проекции, являющиеся аналогами уравнений Эйлера, уравнение геперацни завихренности и уравнение механической работы инерционных сил данной жидкой частицы над соседними жидкими частицами.

Полученная система уравнений является замкнутой и позволяет определить все параметры вихревого течения как внутри ядра вихря, так и в области вихревого течения вне ядра вихря.

На основе проведенных исследований вихревого течения автором предложена н обоснована системауравненнй движения сплошной среды с обменом механической энергией между отдельными частями её, которая может рассматриваться как теоретическое обоснование модели вихревого соударения веществ.

4.В работе показано, что крупномасштабные вихри обладают свойством, состоящим в том, что смешение веществ до молекулярного уровня происходит в центральной части ядаа вихря за счет процессов молекулярного переноса, сопровождающихся также переносом тепловой энергии. Аналогичный молекулярный перенос существует и иа спиральных границах ветвей в ядре вихря, поэтому общая интенсификация молекулярного обмена в вихре по сравнению с обменом при ламинарном течении определяется увеличением площади контакта веществ в спиральных границах по сравнению с площадью контакта на невозмущенной границе примерно в корень квадратный из двойки.

Дальнейшее увеличение интенсивности смешения возможно лишь при вторичной потере устойчивости спиральных границ ветвей вихря.

5.Поскольку молекулярная смесь, образующаяся в центрах ядер вихрей, сохраняет свой состав в течение времени существования вихря, то в этой смеси могут протекать химические процессы, не сопровождающиеся интенсивным выделением энергии, например предпламенные химические реакции. Такие процессы в центре ядра внхря проходят как бы в изотермическом реакторе, время существования которого может быть рассчитано как время существования вихря.

Химические процессы с интенсивным выделением энергии разрушают как ламинарное, так н вихревое течение н приводят к возникновению новой вихревой структуры течения.

Этот процесс перестройки структуры течения является примером прямого влияния физнко-хнмических реакций на структуру течения газов.

6.На основе полученных теоретических результатов автором был предложен метод управления процессами самовоспламенения в камере и тепловыделения по длине камеры горения ГРПД и ГАРГЩ, заключающийся в том, что нагретый в ядерном реакторе водород подается в камеру горения в виде сверхзвуковых струй через сопла, расположенные по некоторой решетке, конфигурация которой определяется из конструктивных соображений, между соплами в камеру вводятся струи воздуха, а вокруг каждого или нескольких сопел водорода создаются кольцевые сопла, через которые может подаваться поток различных газов, например также нагретого водорода, но температура н скорость кольцевого потока могут регулироваться в широких пределах, достаточных для управления тепловыделением при горении по длине камеры. При управлении проходными сечениями воздушного тракта н распределением скорости водорода по сечению кольцевых сопел на входе в камеру горения скорость в кольцевом сопле вокруг сверхзвукового сопла регулируется от низкой дозвуковой до сверхзвуковой в зависимости от режима работы двигателя и траектории полета ВКС.

Разработан метод выбора конструктивных размеров сопловой решетки, согласно которому диаметр сверхзвуковых сопел водорода выбирается внутри диапазона, определяемого из условий: минимальный диаметр определяется устойчивостью самовоспламенения струй водорода в воздухе, максимальный- полнотой тепловыделения прн горении водорода внутри камеры конкретно выбранной длины. Диаметр кольцевого сопла определяется потребным диапазоном регулирования длины зоны горения внутри камеры.

7. В диссертации приведен также пример практического применения методики расчета вихревого соударения веществ стальной стенки и слоя соли, разгоняющегося при взрыве, для математического описания произошедшего при испытаниях взрыва ампулы накопителя тепла со смесью солей: ЫаС1,КС1,М8С12, в период экспериментальных исследований по обеспечению взрывобезопасносгн накопителей тепла на фазовых переходах, показавщнй возможность применения методики

расчета вихревого смешения для расчетов разрушения тонкой стенки при набрасывании на неё движущейся массы.

5. ЛИТЕРАТУРА Материалы диссертации опубликованы в следующих

работах

1ЛОДДатшлов,С,АДлевцур,ПД,Кузнецов.Экспериментальные исследования горения высокотемпературных струй водорода в воздухе. ФГВ, N4/1981г.

2.П.ПКузнецов,Крупномасштабные вихри на начальном участке струн. М. ЦНИИатоминформ, Препринт, ИАЭ-3342/1, 1980г.

3.П.П.Кузнецов, Математическая модель вихревого течения на начальном участке плоской струи. М. ЦНИИатоминформ, Препринт, ИАЭ-47б5/1,1989г,

4.ППКузнецов,Крупномасштабные вихри на начальном участке факела горения ламинарной струи нагретого водорода Межвузовский сборник научных трудов "Современные проблемы гидродинамики и теплообмена в элементах энергетических установок и криогенной техники", М. Изд ВЗМИ,1988, с 93-99.

5.П.П.Кузнецов,Математическая модель вихревого течения на начальном участке плоской струн. Межвузовский сборник "Современные проблемы гидродинамики и теплообмена в элементах энеретнческих установок и криогенной технике".М. МИП 1989.

6.П.ПКузнецов. Физическая и математическая модели крупномасштабных вихрей на начальном участке плоской струи, Изд МИП, Москва, 1992. с.101.

7.П.П.Кузнецов,Крупномасштабные вихри на начальном участке плоской струи, МГАПИ, 1994г.

З.В.К.Баев, ПП.Кузнецов и др. ФГВ, 1974. 14. с. 485-492.

9. П.П.Кузяецов. Крупномасштабные вихри па начальном участке плоской струи, движение сплошной среды с обменом механической энергией, в сб. Проблемы аксиоматики в гидро-газодннамике, Выпуск 4, под редакцией проф. В.М.Овсяннкова Москва, ПРОМЕТЕЙ, 1997г.

Ю.ППКузнецов, С.А.Кпевцур, Движение сплошной среды с обменом механической энергией скоростной части среды с низкоскоростной, в сб, "Системный анализ, нелинейные процессы и информатика", Межвузовский сборник научных трудов, Международная академия информатизации. Российский заочный институт текстильной н легкой промышленности,МоскваД997.

11. ППКузнецов, В.ПЗагрязкнн н др. 'Тепловой аккумулятор", A.C. CCCPN 1816070 от 06.11.1991г.

12.Ш1Кузнецов,В.А.Крохин и др, Патент N2094709 на изобретение по заявке 94029973 от 09. августа.94."Пиковая теплоэлектрнческая установка с накопителем тепла на фазовых переходах".

13.Yu.V. Nikolaev, R.YaKucherov, R.N.Maraginsky, P.P.Ku2netsov,

A TERRESTRIAL SOLAR POVER PLANT WITH DIREKT ENERGY CONVERSION, Proc. of 27 IECE Conference, Vol 3 page 433,1992.

14 ЛП Кузнецов, Движение сплошной среды с обменом механической энергией между eg отдельными частями. Доклад на ХХП научных чтениях по космонавтике. Тезисы докладов. 1998г.

15.ППКузнецов, Сравнение экспериментальных данных по горению струй нагретого водорода с расчетными данными, полученными по модели вихревого соударения. Доклад на ХХП Научных чтениях по космонавтике,

Тезисы докладов. 1998г.

16.ППКузнецов, Физическая и математическая модели крупномасштабных вихрей. Четвертая школа-семннар Методы гидрофизических исследований. Светлогорск. 1-7 мая 1992. Тезисы докладов.

б. СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

17.Р.Бассард,Р.Делауер, Ядерные двигатели для самолетов н ракет, Перевод с английского Р.Авалова, В.Матвеева, Л.Соркина, Н.Трубннцина под редакцией О.Н. Фаворского, Fundamentals of Nuklear Fügt, New-York, 1966, Военное издательство Министерства Обороны СССР, Москва,1967г.

18.Т.А.Хеппенхеймер.Нацнональная программа • воздушно космического самолета, США,1989г.

19. A. Fern, J, ofRAS, 68, 575,1964.

20. ИНФедик, Е.К.Дьяков и др., Материалы Третьей Отраслевой конференции "Ядерная энергетика в космосе, Ядерные Ракетные двнгатели.ЯРД-92" в Семнпалатннске-21Доклады Часть-1, Часть-2, Часть-3, Научно-исследовательский институт НПО "Луч", 1993г.

21.Многоразовый орбитальный корабль "Буран" под редакцией чл-корр. РАН ЮЛ Семенова н дтн Г.Е.Лознно-Лозннского, В.Л.Лапыгнна и В.А.Тнмчепко, Москва, Машиностроение, 1995г.

22. Е.С.Щетинков. Физика горения газов, М, Наука, ГРФМЛ,1965г.

23.Р.ИКурзинер, Реактивные двигатели для свурхзвуковых скоростей полета (основы теории), Москва, Машиностроение,1977г.

24.Э.Г.Намсараев, АИ.Сафонов, Схемы ядерных ракетных двигателей, ( Обзор иностранной литературы), Институт им ПИ.Баранова, нив N180, 1962г.

25.Г.Н.Абрамовнч, Турбулентные струи (обзорный доклад),в сб. Турбулентные течения. Москва, Наука. 1970г.

26.Wehrman 0.,Wille R., Beitrag"Zur Phänomenologie des Laminarturbulenten Ubergang in Freistrahlen bei kleinen Reinoldszahlen" Ch-enzschichtforschung, IUTAM" Symposium Grenzschichtforschung, Freiburg,1957, Spring-Verlag,Berlin, (Gottingen), Heidelberg,1958.

27.0.В.Яковлевскнй, А.НСекундов, Изв. АН СССР, M5KT,N 3,

1967г.

28.Roshko А. ,Structure of Turbulent shear Flows: A new Look, AIAA Journal t.14,N 10, октябрь 1976т,c.8-20.

29.0.А.Ладыженская, О ряде результатов последнего времени по уравнениям Навье-Стокса, в Сб." 4-й Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механикеДиев,24-28 мая 1976г.", в сб Аннотации докладов, "Наукова думка",1976г.

30.Л.ДЛандау, ЕМЛифшиц, Гидродинамика, М, Наука, ФМЛ, 1986, с. 13-15, 152-155.

31.Н.Е.КочинДА. Кибель, НВ.Розе, Теоретическая гидромеханика, ч.1, М, ГИФМЛ, 1983 с. 22.

32. Л.И.Седов, Механика сплошной среды, М, Наука, т.1, ГРФМД1970.

33. Л. Прандгль, Гидроаэромеханика, М, ИИЛ, 1951. с.81-103.

34. Г. Ламб,Гидродинамика, ОГИЗ - ГОСТЕХИЗДАТ, 1947, с.25-26.

35. Г. Шлихтинг, Теория пограничного слоя, М. Наука 1969.

36. М.Д.МиллнонщнкоЕ, Турбулентные течения в пограничном слое и в трубах, М. ИАЭ, 1969.

37. Г.Н.Абрамович, Теория турбулентных струй, Фнзматгнз. 1960.

38. Бай-Шн-И, Теория струй, М. Фнзматгнз. 1960.

39. Л.А.Вулис, В.НКашкаров, Теория струй вязкой жидкости. М. Наука ФМЛ.1965.

40. Л.Г. Лойцянский, Механика жидкости н газа, М, ФМГ, 1959.

41. А.Г.Прудннков и др. Процессы смесеобразования и горения в воздушно-реактивных двигателях. М. Машиностроение. 1971. с. 127- 149.

42.Л.А.Вулис, Ш.А.Ершин, Л.ПЯрин, Основы теории газового факела, Ленинград,Энергия, 1968.

43. Э.Сэффмен. Динамика завихренности, в сб."Современная гидродинамика, успехи и проблемы" под ред Дж. Бетчелора, Г.Моффата М. Мир 1984, с. 77-90.

44. Е.А. Ларнков."Индуктивные законы механики", изд. МП. Товнар, Москва1991.

45. А.А.Фридман. Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости, ОНГИ ГТГИД934.

46.ВД,Голубев.Исследованне турбулентной струн высокой температуры, в сб. "Исслед турб. струй возд плазмы и реального газа", Машиностроение,1967.

47.В.И.Бакулев,"расчет турбулентных струй реального газа", в сб."Исслед турб.струй воздуха, плазмы н реального газа",Машиностроение,1967.

48. А.Ферри.Осесимметрнчное смешение гетерогенных потоков, Труды междунар. симпозиума, Тбилиси, 1963.

49.Лнбби, Журнал Американского ракетного общества (русский перевод),1962,T.32.N23.

50.К.И.ЩелкннДК.Трошин. Газодинамика горення.М.Изд. АН СССР.1963.

51.ННСемеиов.Цепные реакции, Госхнмтехпздат, 1934.

52.Я.Б.Зельдович, Избранные труды, Химическая физика и гидродинамика, под редакцией академнкаЮ.Б.Харитона, М. Наука, 1984.

53.Д.АФранк-КаменецкнйДнффузня и теплопередача в химической кинетике, М Наука 1967.

54.Б.В. Раушенбах, А.Г.Прудников идр. .Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей, М. 1964.

55.М,М.Бондарюк, С.МИльяшенко.Прямоточные воздушно-реактивные двигатели,Оборонгпз, 1958.

56.0рлов,Г.Ю.Мазниг и до.,Основы проектирования ракетно-прямоточных двигателей, Машиностроение,М,1967.

57.Ю.М.Аннушкнн, Основные закономерности выгорания турбулентных струй водорода в воздушных каналах.ФГВ, том 17,N4,1981.

58.А.С.Гиневский,"Теория турбулентных струй и следов",М.Машнностроенне, 1969, с.400.

59.W.R.Hawthorne, D.S.VVeddell, HC.Hottel, Third Symposium on Combustion, Flame and Explosion Phenomena, Baltimore. 1949. Русск. пер. в сб. Вопросы горения, ИИЛ, т.1. с. 146-193.

60.Т.А.Гнршовнч, Турбулентные струн в поперечном потоке, Москва, Маишностроение,1993г.

61. С.М.Белоцерковский, А. С.Гнневскнй, Моделирование турбулентных струй и следов па основе метода дискретных вихрей, ФМЛ РАН, 1995 г.

62. Ю.Н.Коптев, В.В.Алавердов, ЕВ.Бодин, Ю.Е. Левицкий, Космонавтика России (прошлое, настоящее, будущее), в сборнике "Освоение аэрокосмического пространства- прошлое, настоящее, будущее", избранные труды X Московского Международного симпозиума по истории авиации и космонавтики, Москва, 20-27 нюня 1955г.Москва, ИИЕТРАН, 1997г.

63.АВладимиров, Ядерные двигатели в космосе, журнал Наука н жизнь, 1972г. стр. 26-31.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторблагодарнт:С.А.КлевцураДЭ.Д.Чашечкина,Н.П.Налартовича, В.А.Заброднна и других специалистов за помощь в работе над проблемами, атакже В.А.Штоколова, К.В.Холщевникова, С.МШляхгеико,

Ю.И.Данилова, М.МБондарюка, Г.Н.Абрамовича, К.П.Власова, А.В.Квасникова, А.МИсаева и И.И.Феднка за проявленный в свсс время интерес к работам диссертанта

РИСУНКИ

Рнс1 Принципиальная схема ГАРПД,

Рис2 ВКС АХРЕМ,

РисЗ ЯРД КШДЕИУАД'НОВОХ,

Ркс4 Принципиальная схема ЯРД,

Рис5 Характеристика ГАРПД,

Рисб Фотография вихрей,

Рис7 Двухвихрезая структура,

Рис8Размеры факела горения ламинарной струи водорода

при изменении температуры, Рис9 Размеры факела горения выхлопной струи, РисЮ Время задержки воспламенения.

Принципиальная схема воздушного контура ГАРГЩ на Еодороде, нагретом в ядерном реакторе до 2000-2500°К

Рис2 ВКС ASPEN-I, .Компоновка ВКС ASPEN-1.

РнсЗ ЯРД КТО, PHOEOS,

- ш-

Рис4 Принципиальная схема ЯРД,

Принципиальная схема ЯРД с твердыми тепловыделяющими элементами.Турбина ТНА приводится всем расходом рабочего тела с последующим подогревом в реакторе.

z:

Рий Характеристика ГАРПД,

. Пример характеристики ГАРПД

-4о -

Неь=2*Ю1 ^ л , . 1?еь=5*103

Рисб Фотография вихрей,

Струя СОг в воздухе

Геометрическая модель вихревого течения:

1,2-области невозмущенного течения вещества струи и окружа-щей. среды;

3,7-обдастиБОЗвратного течения вещества окружающей среды и струи (могут отсутствовать);

4,6-области спирального течения вещества окружающей среды в ядрах заднего и переднего вихрей;

5,10-области возмущенного течения вещества окружающей среды и струи;

8,9-области спирального течения вещества струи в ядрах переднего и заднего вихрей.

. __и_г--

Ьг__

Рис 8.1 Фотография и схема ламинарного факела ламинарной струи нагретого водорода (фото автора)

струи нагретого водорода (фото автора)

- 4 3 -

Рис '^Изменение размеров и числа 1?е факела в зависимости от гемпературы струи водорода. Ламинарный факел горения ламинарной зтруи нагретого Еодорода существует при температуре 500 * 800°К I 1?е * 450 - 1800. Турбулизированный факел горения водорода существует при температуре 1000 +1150°К и Р2е « 1000.

- кк -

11бэ Ма

с-5. сгэ □ « а да

а а 0 ^ V V ^

СП-

Рис9 Размеры факела горения выхлопной струи,

Размеры факела горения крупногабаритных струй

Лицензия ЛР На 040211 от 7.04.97 г. Подписано в печать 1.06.98 г. Бумага газетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл.печ.л. 2,79. Уч.-изд. л. 3,0. Тираж 60 экз. Зак. 2238. С. 55.

Отпечатано с готового оригинала-макета

в типографии Издательства МАИ 125871, Москва, Волоколамское шоссе, 4

е8д9ни9 .стр.ь.

Часть 1. Гиперзвуковые ракетно-прямоточные двигатели .,.15.

Глава 1. Гиперзвуковые ракетно-прямоточные двигатели, состояние работ и основные проблемы. 15.

1.1. Принципкальные схемы ГРПД и ГАРПД.15.

1.2. Состояние работ по ЯРД.26.

1.3. Характеристики ГРПД.35.

Глава 2. Процессы горения струй водорода в ГРПД .43.

2.1. Состояние вопроса о смешении струй.43.

С^ ь } Г*1 т». т г .ч тт т» г « Лт г ТТ тт т тТ* л тт »т» ,С . !.'Ди1'1иХ±5с1 туриуЛепхНиА и Тру 11. . , 2 2 Т/Г ЗР.тЛ.ПИИ Г\^ ^Т];Т-ТГТ1 Т.ТСГ -Т!¡пг-\г\т,тт,т ппг.оит.то Р,"

Из истории развития теории горения .81.

Состояние теории горения струй водорода в ГРПД .88.

Глава 3. Движение сплошной среды с обменом механической энергией. 75.

Глава 4. Математическая модель вихревого соударения веществ ,течение вне ядра вихря,Введение. 85.

4.1. Форма вихревого течения при соударении веществ.85.

4.2. Кинематика течения вне ядра вихря. 8Ь.

Л М Т/Гттт .-*. »ч п «ч тгт тт1 у тт~ гтт »т т .«ч т ят в № я т пгп тт» » т »1? V". . т». .—п Т о. пах е 1' у сиш пЫе Д и И с±м 1-1 ч с и r-.ii е веи\.ипы вилреБиГи соударения веществ для области вне ядра вихря. 87.

4.4. Интегральные динамические законы сохранения для жидкой частицы вне ядра вихря. 90.

4.5. Уравнения динамического равновесия жидкои частицы.91.

4.8. Интегральные динамические законы сохранения для жидкой частицы вне ядра вихря. 91.

4.7. Уравнения динамического равновесия жидкой частицыЭб.

Глава 5. Математическая модель вихревого соударения веществ внутри ядра вихря. .97.

5.1. Кинематика течения внутри ядра вихря. 97.

5.2. Динамика течения внутри ядра вихря.100.

5.3. Уравнения динамического равновесия жидкой частицы внутри ядра вихря.103.

Глава b. оке пер км е н т аль н о е подтверждение модели вихревого соударения веществ.Крупномасштабные вихри на начальном участке струи.104.

6.1. Ламинарный пограничный слой на границе струи и окружающей среды.1и4.

6.2. Форма и размеры вихрен.1и8.

6.3. Размеры пограничного слоя струи.111.

6.4. Влияние угла 8 на структуру и параметры вихревого течения.114.

6.5. Оценка достоверности полученных результатов. 116.

6.6. Фотографии вихрей.119.

Глава 7. Крупномасштабные вихри в факелах горения струи гирюч.пл tcicjub. . io'j.

7.1. Экспериментальное исследование горения высокотемпературных струй водорода в воздухе.130.

7.2. Крупномасштабные вихри на начальном участке факела горения ламинарной струи нагретого водорода.147.

7.3. Крупномасштабные вихри на начальном участке факела горения турбулентной струи нагретого водорода.161.

Глава 8. Горение водородных струй и проблема создания водородного РИД и ГАРПД. 171.

8.1. Взрывобезопасность факела горения выхлопной струи реактора ИВГ-1. .171.

8.2. Основные особенности факелов горения крупногабаритных струй водорода, выхлопная струя ГАРПД.177.

8.3- Пп рганизация процессов горения в камере водородного ГРПД и ГАРПД.183.

Часть 2. Процессы вихревого соударения в технике. 198.

Глава 9. Обеспечение безопасности накопителей тепла на фазовых переходах при производстве и эксплуатации!98. 9,1. Введение (Место накопителей тепла в энергетике и энергосбережении).198.

Реактивные двигатели в процессе своего развития, связанного с увеличением скорости, высоты полета летательных аппаратов и увеличением веса полезной нагрузки, проходили ряд этапов, на которых успехи достигались то ракетными,то воздушно-реактивными двигателями. Основная борьба различных направлений развития реактивной техники, двигателей в том числе, в последние десятилетия связана с проблемой создания воздушно-космических самолетов [1]. И если в начале работ по этой проблеме М.В.Келдыш придавал особое значение обеспечен!® защиты крылатого летательного аппарата от воздействия атмосферы при возвращении на Землю, то после полетов Опеио-Шаттла и Бурана вопрос создания В КС вновь стал завноитъ от создания эффективного двигателя, способного обеспечить полет летательного аппарата от старта до орбитального режима и последующего возвращения на место старта.Этот двигатель должен использовать в процессе полета воздушную среду в качестве окислителя и водород в качестве горючего,он получил название гиперзвукового прямоточного ВРД или гиперзвукового ракетно-прямоточного двигателя.

В 1Убиг.в СССР группой специалистов в ЦИАМ был предложен принципиально новый тип двигательной установки-гиперзвуковои атомный ракетно-прямоточный двигатель - ГАРЦД ,состоящий из ЯРД и прямоточного воздушного контура. ГАРЦД предназначался для применения на одноступенчатом воздушно - космическом самолете.

В СССР работы по ЯРД проводились В.А.Штоколовым начиная с 1946г.интенсивное развитие работ по созданию ЯРД началось в 1959г после принятия решения, вдохновитлями которого были академики:

Х< Г5 Т-гг-т-т, Л ТТ ТА—-г-. ТЛ" Г5 Г -1 ~< м. о. г\елДыш,. II. г^ирил&й п п. о. г\урчслхиоз

Проводились также работы по изучению сверхзвукового горения в ГПВРД под руководством профессора Е.С.Щетинкова [153. На рисунках 1а и 16 представлены опубликованные в печати рисунки ВКС о ГАРЦД,один из них был опубликован в СССР С1аЗ,другой в США. Работа по ВКС с ГАРЦД проводилась в инициативном порядке: в ЦИАМ в лаборатории К.В.Холщевникова инженером П.П.Кузнецовым, в МКЕ "Красная Звезда" Главного конструктора М.М.Бондарюка инженерами В.А.Штоколовым и М.М.Белоусовым, в Институте атомной энергии под руководством М.Д.Миллионщикова и Н.Н.Пономарева-Степного, в Подольском научно исследовательским технологическом институте под руководством Ю.И.Данилова работали П.П.Кузнецов и С.А.Павлов и др.

В ÜÍIIA в это время интенсивно велись работы по созданию ЯРД по программе ROVER, начатые в 1955г С12].

В США согласно информации Ео] в 196УГ. была разработана следующая концепция создания Воздушно-космического самолета: это должен быть крылатый пилотируемый летательный аппарат, способный с помощью собственной силовой установки взлетать с Земли,разгоняться до орбитальной скорости, совершать манеЕренный полет в космическом пространстве и возвращаться на Землю. Количество повторных полетов самолета предполагается не менее 100 ( >10,).

ВВС США рассматривали BKU как перспективную многоцелевую космическую систему оружия для наступательных, оборонительных, разведывательных и транспортных целей. Предусматривалась разработка самолета весом 227 тонн и длиной 60 метров, способного летать на высотах до 480км.(вариант этого самолета получил название ASPEN-1). Также предусматривалось создание экспериментального летательного объекта весом 45 тонн и длинои 27метров.

Основным аргументом в пользу создания ВКС была его высокая потенциальная маневренность и высокая экономичность.Исследовались варианты с горизонтальным и вертикальным стартами.

В качестве наиболее вероятной силоеой установки ВКС была выбрана комбинированная, состоящая из:ТВРД, ПВРД и ЖРД, работающих на жидком водороде и жидком кислороде, полученном из атмосферного воздуха с помощью бортовой системы накопления, ожижения и разделения Еоздуха на 0g и N2.Согласно информации (РТ N 25 и 40 за 1961г) эта комбинация двигателей под названием "LACE" ,была предложена фирмои Марквардт. Согласно сообщению Missiles and Rokets, tí,N2'/, 27-28 С1961),фирма Марквардт предложила также ядерный вариант двигателя под названием NULACE. Фирма Роллс-Ройс в Англии исследовала гиперзвуковой самолет с системой создания тяги путем сжигания топлива в наружном потоке воздуха.

По данным Национальной программы ВКС CEA [53, приведенная выше информация относится к первому этапу этой программы, когда задача создания такого ВКС представлялась достаточно простой.

Одним из лидеров разработки силовой установки для ВКС в США стала фирма Марквардт, которая развернула в 1964г работу по созданию ЖРД с воздушным форсированием (ракетно-прямоточный двигатель) для космических ракет с перспективой выйти на летные испытания череа 2 года [63. В информации было сказано, что характеристики ЯРкД также улучшатся в результате использования системы с воздушным форсированием. ЯРкД производит огромное количество легковоспламеняющегося Еодорода и при эффективном его сжигании в ПВРД может быть достигнуто значительное улучшение характеристик такой ракетной силовой установки.

Фирма Марквардт получила в 19б4г от ВВС ¡ЗЛА 3 заказа на дальнейшие исследования перспективных ВРД. Заказами предусматривались исследования ПВРД о дозвуковым и сверхзвуковым горением. Программа работ по гиперзвукоЕиму ПВРД включала испытания узлов ПВРД с дозвуковым сгоранием в широком диапазоне гиперзвуковых скоростей.

Работы по ПВРД со сверхзвуковым горением были направлены, в основном, на изучение камеры сгорания, сопел и на оценку и предварительное проектирование всей силовой установки 171. Работы по сверхзвуковому горению в США возглавлял профессор А.Ферри [83.

Согласно [93 в 1966г было сообщено, что в США в течение ряда лет широко обсуждалась программа AMSA (создание перспективного пилотируемого стратегического самолета), которая охватывает широкую область работ, начиная от модификации существующего самолета F-111A до создания гиперзвуковых стратегических бомбардировщиков с СГПВРД и даже с атомным двигателем.

Необходимо обратить внимание, что в это же время в США наряду с работами по созданию ядерного реактора типа NERVA для применения на ракете САТУРН,проводились работы по созданию ядерного реактора типа Фобос-2А с тягой до ЮОтонн для двигателя без объявления типа летательного аппарата. Реактор Фобос-£А был испытан на мощности 4080 Мв в 1968г [103, по мнению специалистов США это было выдающимся достижением [123-На этом реакторе решалась задача получения максимальной объемной плотности мощности, что необходимо для реакторов с круговой или близкой к круговой биологической защитой, предназначенной в первую очередь для ВКС с космонавтами на борту. Для беспилотных ракет в этом нет прямой необходимости,для них важнее тлеть большой удельный импульс и ресурс,которые требуют снижения напряженности тепловыделяющих элементов.

В СССР в 1964г применительно к проблеме создания ГАРПД были проведены в МФК в лаборатории С.А.Клевцура исследования по горению струй нагретого водорода [113 - Эксперименты показали возникновение крупномасштабных вихрей на начальном участке факела

- g горения ламинарнои струи нагретого водорода, что отличалось от теоретических представлений, существовавших в то время. Отсюда выявилась неопределенность в оценке длины камеры сгорания двигателя и закона тепловыделения по ее длине на различны:«: режима-: полета, а значит и неопределенность в характеристиках силовой установки.

Всвяви с недостатком финансовых средств е ССОР экопериментаг льные работы по ВКС и ГАРПД ограничивались исследованиями горения струй нагретого водорода и созданием материалов для ТВЭЛ и TBC высокотемпературного ядерного реактора, способного нагревать водород до 3000°К [12,13]. Эти работы не были непосредственно связаны друг с другом и проводились параллельно.

В США работы по созданию гиперзвукового ракетно-прямоточного двигателя с нагревом водорода до 50Q-8001JC при охлаждении конструкций ВКС и ГАРПД и с дополнительным нагревом водорода в активной зоне ядерного реактора до 2000-2500иК также Еелиоь одновременно.

Конкуренция фирм, работающих в космической области, привела к быстрому созданию больших ракет-носителей, в частности носителей СОЮЗ и ПРОТОН е СССР и САТУРН в США, которые обеспечили достижение других планет Солнечной системы, проведение пилотируемых полетов на станциях "ШРми т.п., что лишило ВКС конкретных целей в области выведения тяжелых грузов на орбиты ИСо.

Кроме того, в это время начались работы по созданию спускаемых летательных аппаратов типа СПЕЙС-ШАТТЛ и БУРАН [14], обеспечивших многократное использование их в полете, получение опыта по созданию возвращаемых из космоса крылатых летательных аппаратов многократного применения, что должно обеспечить снижение стоимости выведения полезного груза на орбиты MUS и спуска их на землю после выхода их из строя для ремонта,исследования и повторного применения. Полученные результаты позволили отодвинуть потребные сроки создания воздушно-космических самолетов и уменьшить затраты средств.

Развернутые ранее в США работы по исследованию гиперзвуковых ракетно-прямоточных двигателей к этому времени столкнулись с рядом технических проблем, в частности о недостаточным пониманием природы пограничного слоя на поверхности летательного аппарата,в воздухозаборнике и в камере сгорания двигателя.Условия перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный в гиперзвуковых потоках были неизвестны, а они определяют понимание рабочего процесса воздухозаборника, его эффективности [ь,1и] и сопротивление полету вКС.

Вое эти проблемы привели к сокращению Финансирования работ по созданию ГРПД и ЯРД как в США. так и в СССР .В настоящее время работы по созданивз ЯРД практически полностью остановлены в РОССИИ и,по некоторым сведениям [12], также в США.

Следует,однако, обратить внимание на информацию из США о том, что ПЕНТАГОН и HACA работают над проблемой защиты Земли от метеоритной бури из крошечных кусочков астероидов и комет, которую предсказывают в ноябре 1999г.Эта проблема может способствовать возрождению интереса к созданию ВКС как носителей средств защиты [18].

Имеется также информация в газете Правда-5 от 20 марта 1997г N40(214) стр.2 "Как считают специалисты Главного штаба Войск ПВО РФ, опыт локальных войн.последних лет.,показал, что роль главной ударной силы в них отводится средствам воздушного нападения.Поэтому приоритетное развитие в армиях ведущих государств мира получили, .средства воздушнокосмичеокого нападения.Так, в США, по данным Главного штаба еойск ПВО, ведутся научно- исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию гиперзЕукового самолета "Аврора",максимальная скорость которого более 5000км в час, дальность поле та-12000км, потолок-36км.

Проводятся также работы по теме NASP-возвращаемый космический корабль- с ГРПД, одной из задач которого является перехват межконен-тальных баллистических ракет на взлете[180].

Аналогичные исследования технологий гиперзвукового полета и создания авиационных систем в рамках национальных программ проводятся в Великобритании (проект ВКС "Хотол", Франции ("Рзйдьенс), Германии ("Зингер"), а также Японии.

США планировали основную часть разработки ГРПД выполнить на основе результатов расчетов течения в двигателе, которые должны были быть выполнены с помощью мощных ЭВМ [5],

По мнению диссертанта,возникшие при выполнении работ по ВКС трудности [5] связаны с тем, что математическое описание газодинамических процессов в диффузоре, камере сгорания и сопле с помощью уравнений Навье-Стокса не отражает силовое взаимодействие потоков, двигающихся с разными скоростями, между собой и со стенками и, как следствие этого, не отражает реального рабочего процесса в газовом тракте ГРПД, ГАРПД и ВКС. Выход из создавшегося положения в США видят в создании мощных испытательных установок, требующих больших затрат времени и средств [5].

В СССР проводились исследования на минимальных по масштабам моделях, в частности на струях нагретого водорода малых диаметров. Обработка результатов экспериментов, проведенных в ЙФХ в 1964г. показала отличия в процессах горения струй нагретого водорода от горения струи холодного водорода, заключающиеся в самовоспламенении струй водорода в пограничном слое смешения с еоздухом.Возник-ла необходимость разработки теории этих процессов включая теорию развития крупномасштабных вихрей, возникающих при самовоспламенении струй нагретого водорода в воздухе. В процессе проведения опытов СИЗ, автор наблюдал возникновение крупномасштабных вихрей даже при горении ламинарной струи водорода, что не соответствовало представлениям о безвихревом течении идеальной жидкости.

Теория этих процессов, разработанная диссертантом, представлена ниже не только в частной постановке задачи о вихрях.но и как общая теория движения сплошной среды с обменом механической энергией между ее отдельными частями, двигающимися с разной скоростью. Разработанная теория позволит ускорить создание ГРЕЩ, ГАРГЩ и ВКС и снизить затраты на создание экспериментальных стендов.

Предлагаемая диссертация является итогом более, чем тридцати лет работы,начатой в 1У60 г.она продолжает работы С 9.3,9о, 94,96,97,38 и др.3,содержит гипотезу о вихреЕом соударении веществ и разработанные на ее основе физическую и математическую модели вихревого течения веществ на начальном участке плоской струи.

Гипотеза о вихревом соударении веществ вследствие новизны вынудила рассмотреть общую систему уравнений механики сплошной среды с позиций поиска стыковки этих уравнений с представлениями о движении сплошной среды с обменом механической энергией, к которым относятся струйные течения и вызываемые шли вихревые образования, возникающие в зоне вихревого столкновения веществ струи и окружающей среды.

Диссертация открывается разделом, в котором рассматривается проблема создания ГАРЩ и проводится инвентаризация основных проблем, без решения которых создание ГАРЩ невозможно.

Однако, эти проблемы еще далеки от своего решения и поэтому они рассматриваются как часть литературного обзора диссертации, а не как защищаемый результат работы.

Собственно новые результаты работы, защищаемые диссертантом, получены при работе над проблемой развития вихрей, как частью проблемы смешения и горения в камере горения ГАРЩ, определяемой смешением оверхзуковых струй водорода с потоком воздуха на входе в камеру сгорания, скорость и температура которого изменяются вдоль траектории полета ВКС от дозвуковой до сверхзвуковой и гиперзвуковой при соответствующем изменении статической температуры воздуха. Этот процесс смешения сопровождается обменом механической энергией между отдельными частями течения,имеющими различную скорость.

В качестве конкретного примера применения общей теории в диссертации приводится модель вихревого соударения веществ.

В диссертации в предельно краткой форме изложено также сравнение результатов расчетов по модели Еихревого соударения с имевшимися в распоряжении автора экспериментальными данными. Полученные результаты свидетельствуют о достоверности предложенной модели вихревого соударения веществ в дозвуковых потоках,особенности применения её для сверхзвуковых течений требуют исследований.

Практическая значимость теории вихревых течений не вызывает сомнений. В последнее время возрос интерес к изучению тонкой структуры вихревых течений как в связи с расчетами погоды по данным снимков циклонического облачного покрова Земли из космоса, так и в связи о широким распространением в технике различного рода струйных смесителей и струйных горелок,в последние годы также вновь усилился интерес к созданию гиперзвукоЕых ПВРД Е5]. Приложение модели крупномасштабных вихрей к проблемам создания камер горения ГРПД и ГАРЩ приведено ниже.

Большое значение для научной общественности также имело мнение М.Дж.Лайтхилла, Дж.Езтчелора, Ф.Сэффмена [86] и др. об отсутствии теоретического описания вихревых течений.

Теоретические описания тонкой структуры вихревых течений, над которыми работают современные исследователи, пока неадекватно отражают параметры вихревого течения, что связано с представлением течения как потенциального, адиабатического.

Введение вязкости и применение некоторых других приемов не решили Еопрос. В то же время характерной особенностью вихревых течений является их самоподобие, отмеченное экспериментаторами и использованное в теории турбулентности.Учет этой особенности течения и привлечение к описанию процессов понятия массовых инерционных сил, связанных о коллективным движением вещества, например, при вращении вокруг удаленного от рассматриваемой точки течения центра, и непотенциальных инерционных сил, возникающих при соударении веществ в вихре, позволили разработать математическую модель вихревого течения, представляемую ниже, и дали ключ к разработке системы уравнений неадиабатического течения сплошной среды.

В работе Е.А. Ларикова [99] предлагается рассматривать уравнения второго закона Ньютона как состоящие из приращения линейной скорости так и из приращения угловой скорости. Такое восприятие второго закона Ньютона как состоящего из двух разных векторов снимает проблему поиска причины генерации завихренности, которая в этом случае происходит под действием сил вихревого соударения веществ, являющихся непотенциальными.

Величину сил вихревого соударения и механизм их возникновения позволяет определить гипотеза о вихревом соударении Ееществ, предложенная автором [92].

В представленной ниже работе автор защищает следующие разработанные им новые научные результаты и полученные выводы.

Во-первых, обоснована принципиальная схема воздушного контура гиперзвукового ракетно-прямоточного и атомного ракетно-прямоточного двигателя,включающая¡диффузор, струйный первичный смеситель водородных струй с воздухом,содержащий решетку сверхзвуковых сопел водорода, кольцевые сопла Еодорода и воды, каналы для воздуха,камеру первичного смешения и горения,основную камеру с регулируемыми поперечными сечениями для сжигания первичных продуктов горения в воздухе, сверхзвуковое регулируемое сопло воздушного контура.

Во-вторых,результаты экспериментального исследования и расчетной обработки горения струй нагретого до 1300-2000К водорода, при которой происходит самовоспламенение неотехиометричеоких смесей в вихревых структурах, возникающих в пограничны;-: слоях струй.

В-треть их,физическую и математическую модели вихревого соударения веществ в пограничном слое струи и факела её горения, которые необходимо рассматривать в качестве модели для анализа процессов в воздушном контуре ГРГЩ и ГАРЩ.

Физическая модель основана на анализе известных экспериментальных данных по струйным течениям и на анализе экспериментальных данных по горению струй нагретого водорода в воздухе[11,94,97,98].

Математические методы решения задачи вихревого соударения веществ, заключаются в том, что решение задачи производится в подвижных координатах, связанных с центром вихревого соударения веществ, в которых все линейные отрезки отнесены ко времени существования вихря и поэтому вихревое течение в этих координатах является стационарным, что упрощает получение решения системы уравнений е конечном виде [92-983.Область вихревого течения можно очертить границей, проходящей по жидким частицам,одновременно притекающим к эллиптическим границам ядра вихря.

К области в целом применены интегральные законы сохранения : массы, импульса,момента импульса и энергии.

К жидким струйкам тока применены интегральные законы сохранения: массы. импульса,момента импульса и энергии вещества в трансвер-сальном движении с учетом энергообмена с веществом окружающей среды.

К жидким частицам применены уравнения динамического равновесия под действием инерционных сил от соседних жидких частий.

В-четвертых,защищает методику расчетного определения размеров и времени существования вихревого течения в пограничном слое струи, которая подтверждена на материале расчетной обработки известных экспериментальных данных ряда авторов [97], эта методика позволяет проводить оценку изменения тепловыделения по длине зоны горения струй водорода в камере горения ГАРПД.

В-пятых,методику расчета самовоспламенения струи водорода в камере сгорания двигателя, основанную на предположении о том,что смешение веществ в вихре до молекулярного уровня происходит в центре ядра вихря, где состав смеси не меняется в течении времени существования вихря, определяемого расчетом. Это позволяет рассчитывать кинетические процессы протекания химических реакций в центре ядра вихря как в идеальном адиабатическом химическом реакторе.

Этот результат позволяет по-новому подойти к решению процессов воспламенения и горения струй веществ, самовоспламеняющихся в веществе окружающей среды.

В том числе можно по новому подойти к анализу устойчивости самовоспламенения и горения струй нагретого водорода в сверхзвуковом потоке воздуха в камере сгорания ГАРПД и ГРПД.

Этот результат подтвержден результатами расчетной обработки экспериментальных данных, полученных ранее по горению струй нагретого водорода в воздухе [11,92,94,97 и др.].

В-шестых, защищает метод управления процессами воспламенения и тепловыделения по длине камеры сгорания ГРПД и ГАРПД.

В-седьмых, -вашншает применение уравнений вихревого соударения веществ для решения ряда технических задач, в частности для расчета условий взрыва герметичной ампулы накопителя тепла на фазовых переходах тройной смеси хлоридов: MgCl2,KCi, NaCl [144].

--------------1

Автор благодарит j Ю.М.Данилова! и всех специалистов, оказав

I! ших ему помощь как советами, так и критикой.

Часть1.ГИПЕРЗВУКОВЫЕ РАКЕТНО-ПРЯМОТОЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ.

10, НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ,

В диссертации автор защищает следующие разработанные им новые научные результаты и полученные выводы,

1,Разработанная методика расчета характеристик ГРГЩ и ГАРЕН и проведенные расчетные исследования позволили обосновать принципиальную схему воздушного контура гиперзвукового ракетно-прямоточного двигателя и гиперзвукового атомного ракетно прямоточного двигателя, включающую: струйный первичный смеситель водородных струй с водой и воздухом,содержащий решетку сверхзвуковых сопел с кольцевыми соплами, основную камеру смешения и горения первичных продуктов смешения о воздухом, сверхзвуковое сопло и систему подвижных панелей для регулирования проходных сечений камеры и процесса тепловыделения по длине камеры,

2,Проведены экспериментальные исследования особенностей процессов горения в воздухе струй водорода, нагретого до температуры

1300-2000К,достаточной для нагрева водородовоздушной смеси в вихрях до температуры самовоспламенения,что характерно для гиперзвуковых ракетно-прямоточных двигателей воздушно-космических летательных аппаратов .з частности, гиперзвуковых атомных ракетно-прямоточных двигателей. Эти особенности связаны о тем,что самовоспламенение водорода происходит в неотехиометричеоких смесях, возникающих в процессе образования крупномасштабных вихрей,возникающих в процессе смешения струй водорода с воздухом,Эти смеси существуют в течение всего времени существования крупномасштабных вихрей в пограничном слое струи За время задержки самовоспламенения смеси в ядрах вихрей проходят предпламенные химические реакции горения и в конце этого периода возникает пламя, которое разрушает вихри, изменяет структуру пограничного слоя и начинает процесс выгорания этой первичной смеси, При этом происходит смешение продуктов горения первичной неотехио-метричеокой смеси с воздухом, или водородом, в зависимости от коэффициента избытка воздуха в двигателе, и выгорание этой вновь возникающей вторичной смеси,

3,Существование крупномасштабных вихрей в пограничных слоях затопленных струй было доказано экспериментально рядом авторов в Германии,СССР и США,

В экспериментах автора было также показано их образование на начальном участке факела горения струй нагретого водорода,В дисоертации приведена разработанная автором расчетная модель смешения струи и окружающей среды в крупномасштабных вихрях, и созданная на ее основе методика расчета процессов смешения и самовоспламенения первичной смеси. Модель смешения струи и окружающей среды в крупномасштабных вихрях содержит уравнения сохранения массы, импульса,момента импульса и энергии для возмущенной области вихревого движения, уравнения сохранения для жидкой струйки тока внутри возмущенной области а также уравнения динамического равновесия жидкой частицы внутри струйки тока под действием непотенциальных сил вихревого соударения веществ,Сравнение экспериментальных данных по длинам начальных участков без пламени факелов горения струй нагретого водорода с результатами расчетов по разработанной методике показывает их хорошее соответствие.

Решение в данной модели течения ищется в подвижных относительных координатах, в которых все линейные параметры отнесены ко времени существования вихря, Координаты неинерциальные, течение в них отационарное, сопровождаемое виртуальными стоками массы в вихре, Область вихревого течения можно очертить границей, проходящей по жидким частицам, одновременно притекающим к эллиптической границе ядра вихря. Эта область находится в динамическом равновесии, и целью получения решения задачи вихревого соударения в конечном виде рассматриваются: область вихревого течения как целое, жидкая струйка тока как часть этого целого и отдельная жидкая частица как часть струйки тока,

К области в целом применены интегральные законы сохранения массы, импульса, момента импульса и энергии в этой области, что позволило определить параметры течения области в целом, скорость движения центра вихревого соударения 1% и соотношение масс, смешивающихся в вихре веществ, равное М = (Ма/Мз.) » 'Ург/р!•

К жидким струйкам тока также применены интегральные законы сохранения массы, импульса, момента импульса и энергии веществ в трансвероальном движении в данной струйке тока, выявившие постоянство массовых значений импульса, энергии и момента импульса веществ во всей области вихревого течения, записанных с учетом энергообмена с веществом окружающей среды.

К жидким частицам были применены уравнения динамического равновесия жидких частиц под действием инерционных сил ц, определявшх воздействием на нее соседних жидких частиц.

Эти уравнения содержат: две линейные проекции, являющиеся аналогами уравнений Эйлера, уравнение генерации завихренности и уравнение механической работы инерционных сил данной жидкой частицы над соседними жидкими частицами,

Полученная система уравнений является замкнутой и позволяет определить все параметры вихревого течения как внутри ядра вихря так и в области вихревого течения вне ядра вихря.

Автором предложена и обоснована система уравнений движения сплошной среды с обменом механической энергией между отдельными частями её, которая может рассматриваться как теоретическое обоснование модели вихревого соударения веществ.

4, В работе показано.что крупномасштабные вихри обладают свойством, состоящим в том, что смешение веществ до молекулярного уровня происходит в центральной части ядра вихря за счет процессов молекулярного переноса, сопровождающихся также переносом тепловой энергии. Аналогичный молекулярный перенос существует и на спиральных границах ветвей в ядре вихря, поэтому общая интенсификация молекулярного обмена в вихре по сравнению с обменом при ламинарном течении определяется увеличением площади контакта веществ в спиральных границах по сравнению с площадью контакта на невозмущенной границе примерно в ■/£ раз,

Дальнейшее увеличение интенсивности смешения возможно лишь при вторичной потере устойчивости спиральных границ ветвей вихря,

5,Поскольку молекулярная смесь, образующаяся в центрах ядер вихрей, сохраняет свой состав в течение времени существования вихря, то в этой смеси, могут проходить химические процессы, не сопровождающееся интенсивным выделением энергии, например, предпла-менные химические реакции.Процессы в центре ядра вихря происходят как-бы в изотермическом химическом реакторе, время существования которого может быть рассчитано как время существования вихря, химические процессы с интенсивным выделением энергии разрушают как ламинарное, так и вихревое течение и приводят к возникновению новой вихревой структуры.

Этот процесс является примером прямого влияния Физико-химических реакций на структуру течения газов,

С'!1-- /

6. На основе полученных теоретических результатов автором был предложен метод управления процессами самовоспламенения в камере и тепловыделения по длине камеры сгорания ГРИД и ГАР1Щ, заключающийся в том,что нагретый в ядерном реакторе водород подается в камеру горения в виде сверхзвуковых струй через сопла,расположенные по некоторой решетке, конфигурация которой определяется из конструктивных соображений, между соплами в камеру вводятся струи воздуха, а вокруг каждого или некоторых из сопел водорода создаются кольцевые сопла,через которые может подаваться поток различных газов,например также нагретого водорода, но температура и скорость кольцевого потока могут регулироваться в широких пределах, достаточных для управления тепловыделением при горении по длине камеры,При управлении проходными сечениями воздушного тракта и распределением скорости водорода по сечению кольцевых сопел на входе в камеру горения скорость в кольцевом сопле вокруг сверхзвукового сопла регулируется от низкой дозвуковой до сверхзвуковой в зависимости от режимов работы двигателя и траектории полета ВКС,

Разработан метод выбора конструктивных размеров сопловой решетки,согласно которому диаметр сверхзвуковых сопел водорода выбирается внутри диапазона, определяемого из условий:минимальный диаметр определяется устойчивостью самовоспламенения струй водорода в воздухе,максимальный-полнотой тепловыделения при горении водорода внутри камеры конкретно выбранной длины.Диаметр кольцевого сопла определяется потребным диапазоном регулирования длины зоны горения внутри камеры.

7, В диссертации приведен пример практического применения методики расчета вихревого соударения веществ для математического описания взрыва ампулы накопителя тепла со смесью солей: ЫаС1,КС1 и МеС1£, происшедшего при экспериментальных исследованиях по обеспечению взрывобезопаонооти накопителей тепла на Фазовых переходах.

1. Информация ТАСС от 25,7.1968г ВИНИТИ N30 (1336)

2. ВИНИТИ N4, от 25 января 1968г.

3. А,Н,Пономарев, Авиация настоящего и будущего, Москва, Военное издательство, 1984г.

4. Фокс, Уэбб, "Измерения турбулентности следа на баллистической трассе с помощью термоанемометра". Ракетная техника и космонавтика, 1967, N 1,

5. Хайдит, Заккей. "Экспериментальное исследование гиперзвукового турбулентного пограничного слоя с положительным градиен том давления". Ракетная техника и космонавтика, 1969, N1,123-136,

6. Да-Ривер, Уррутиа, Задержка воспламенения при диффузном горении, AJAA Journal, N 11, 1968,

7. Сб. аэрод.больш,скор.ир.Т,, "Турбулентные течения и теплопередача" под ред. Линь Цзя-Цзяо. Изд. ИЛ Москва, 1963,

8. Fabian H. Experimentelle Untersuchungen der Gesohwindig;-keits Schwankungen in der Dusenmundung. DVL, Bericht № 122, 1960

9. О.В.Яковлевский, A.H.СекундоЕ, Изд. АН СССР, Механика и машиностроение, 1964, N 3.

10. Grant H.L, The large eddies of turbulentmotion, J, of Fl, Mech.,1958, v 4, part 2, June p.149 (Перевод ИПГ № 247,1967)

11. С.С, Муравьев, Р,В, Озмидов, Синергетичеокие механизмы образования упорядоченных структур в океане (обзор), океанология 1994, т, 34, № 3. с, 325-336,

12. Проблемы турбулентных течений, сборник статей под редакцией В,В. Струминского, изд. "Наука", М,, 1987г.

13. В.Г. Левич. Физико-химическая гидродинамика, М, Физматгиз, 1959г.

14. Гиневокий А,С."Теория турбулентных струй и следов",Москва Машиностроение, 1969, стр.400,