2.8.1. Выбор типа и профилирование сопла

Наиболее эффективными и технологичными, а поэтому и наиболее приемлемыми на практике, являются односопловые схемы РДТТ. Они обеспечивают минимальные уровни потерь удельного импульса тяги, а также по сравнению с многосопловыми схемами обладают меньшими поперечными габаритными размерами. При использовании односопловых схем возможно газодинамическое управление вектором тяги только по каналам рысканья и тангажа.

По виду профиля сверхзвуковой части выделяют сопла конические и профилированные. Для большинства двигательных установок применяются профилированные сопла. Профилирование соплового тракта выполняется с учетом двухфазности потока продуктов сгорания, наличия узлов регулирования РДТТ и других факторов.

Коническое сопло

Коническое сопло, схема которого приведена на рис. 21, состоит из трех основных частей: cужающейся (дозвуковой) части; района критического сечения (трансзвуковой участок) и расширяющейся (сверхзвуковой) части. Часто трансзвуковой участок выполняется в виде «ленточки»- цилиндрического участка определенной длины, на протяжении которой сопло имеет минимальное сечение, где поток рабочего тела приобретает скорость звука.

Основными геометрическими размерами конического сопла являются удвоенный угол входа в сужающуюся часть сопла _суж, удвоенный угол раскрытия сопла _а, а также длина цилиндрического участка l_кр, диаметр критического сечения d_кр и диаметр среза d_а сопла.

Величина угла _суж выбирается из диапазона 30⁰  _суж  60⁰. Причем в случае наличия в продуктах сгорания конденсированной фазы профиль сужающейся части должен исключать выпадение на ней к-фазы и зашлаковки критического сечения. Для этого рекомендуется выбирать меньшие значения _суж [5].

При выборе параметров расширяющейся части сопла (d_a и _а) необходимо учитывать, что при большом угле раскрытия увеличиваются потери на рассеяние и возможен отрыв потока от стенок канала, обусловливающий возникновение дополнительных потерь удельного импульса. С другой стороны, при небольших углах _а значительно увеличивается длина сопла и, следовательно, его масса, а также будут возрастать потери на трение потока о стенки сопла. В связи с этим для конических сопел РДТТ оптимальные значения _а следует выбирать из диапазона 12^о...18^о. Диаметр среза сопла определяется, как правило, заданной геометрической степенью расширения и составляет d_a = (l,5...2,5)d_кр.

Длина цилиндрического участка трансзвуковой части сопла выбирается с учетом технологических и эксплуатационных требований. Для того, чтобы выполнить отверстие диаметром d_кр наличие «ленточки» является необходимым и отвечает требованиям технологичности конструкции. Кроме того, в процессе работы РДТТ при наличии острой кромки критического сечения происходил бы ее разгар практически с первых секунд работы двигателя. Это привело бы к падению давления в камере, снижению тяги и появлению ее эксцентриситета. Поэтому с целью избегания указанных эффектов трансзвуковую часть сопла изготавливают в виде цилиндрической образующей. Однако «ленточка» не должна быть слишком длинной, поскольку в этом случае увеличиваются габаринто-массовые характеристики сопла и повышается вероятность осаждения к-фазы на входе в трансзвуковую часть сопла.

Методика выбора оптимального значения длины «ленточки» для конических сопел вышибных РДТТ противотанковых управляемых ракет, использующих пироксилиновые пороха, заключается в следующем [19]. В качестве критериев выбора используются значение удельного импульса и коэффициент разгара критического сечения, определяемый по формуле

_р = d_кр.р/d_кр.0,

где d_кр.р- диаметр критического сечения, получающийся в результате эрозии «ленточки», d_кр.0 – начальное значение диаметра критического сечения.

Представленный на рис. 22 график показывает, что при l_кр/d_кр > 0,2 разгар диаметра критического сечения не происходит, но при этом уменьшается удельный импульс двигателя вследствие увеличения его массы, потерь из-за нагрева "ленточки" и на вихреобразование в трансзвуковой части сопла. Таким образом, для d_кр = 10 мм согласно рис. 22 минимальная длина «ленточки» составляет 2...4 мм.

Профилирование сужающейся (дозвуковой) части сопла

В настоящее время в конструкциях РДТТ используются сопла, у которых сужающаяся и трансзвуковая части располагаются в объеме камеры сгорания – так называемые утопленные сопла. Профилирование профиля утопленной части сопла может выполняться поверхностью, образованной вращением эллипса с полуосями a и b относительно оси сопла, как показано на рис. 23. Для уменьшения эрозии сопла во входной части следует выбрать площадь входного сечения в соответствии с рекомендациями работы [10]: R_вх/R_кр > 1,25; а/b = 3:2.

Рис. 23. Профиль утопленного сопла