Профилирование расширяющейся (сверхзвуковой) части сопла

При профилировании сверхзвуковой части сопла следует исходить из следующих основных требований к сопловым блокам.

• В сверхзвуковой части сопла должны по возможности отсутствовать скачки уплотнения, наличие которых увеличивает газодинамические потери.

• На выходе сверхзвукового сопла поток продуктов сгорания должен быть равномерным и соответствовать рассчитываемому значению приведенной скорости .

• Давление в выходном сечении сопла должно приближаться к давлению окружающей среды, в которой происходит работа двигательной установки.

• В случае наличия в продуктах сгорания конденсированной фазы рекомендуется исключить (снизить) ее попадание на стенку сопла вблизи выходного сечения с целью избежания эрозионного разрушения последнего. Это достигается увеличением угла наклона образующей по отношению к профилю для чистого газа.

При выборе геометрической степени расширения сопла f_a, установленном на многоступенчатой ракете-носителе, полет которой происходит при переменном давлении окружающей среды р_н, следует учитывать рекомендации, определяющие оптимальные значения давления на срезе сопла [10]:

- РДТТ первой ступени ракеты р_а = 0,05…0,075 МПа;

- РДТТ второй ступени ракеты р_а = 0,02…0,035 МПа;

- РДТТ третьей ступени ракеты р_а = 0,01...0,0185 МПа.

Для профилирования сверхзвуковой части сопла (в предположении гомогенного потока продуктов сгорания) можно использовать метод Рао (огибающих). Данный метод позволяет построить контур сверхзвуковой части сопла, близкий к контуру, получаемому при использовании точных методик, основанных на интегрировании дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих сверхзвуковое течение идеального газа.

Поскольку в результате выполнения баллистических расчетов или по данным технического задания получено оптимальное значение R_a/R_кр, то по номограмме (рис. 24) [10] представляется возможным определить относительное удлинение сопла L_отн и длину сверхзвуковой части сопла: L_а = L_отн  R_кр.

Для конкретных значений R_a/R_кр и L_отн = L/R_кр по номограмме (рис. 24) определяем углы наклона образующей на входе _вх и на выходе сопла _а. Угол на выходе сопла определяет одну из важнейших составляющих потерь удельного импульса – потери на рассеяние. Чем больше значение этого угла, тем больше величина потерь. Величину угла _вх следует выбирать из диапазона 30^о...35^о.

Пример построения сверхзвукового профиля методом огибающих представлено на рис. 25. Он заключается в следующем. Для построения огибающей проводим из точки А под углом _вх прямую АВ, а из точки С под утлом _а прямую CВ до их пересечения в точке В. Разбив отрезки AВ и CВ на 5–7 частей и соединив соответствующие точки 1, 2, 3 и т. д. прямыми, строим огибающую АС, которая и будет искомым контуром сверхзвуковой части сопла.

Особенности профилирования сопла при наличии в продуктах сгорания к-фазы

Наличие в продуктах сгорания конденсированной фазы приводит, с одной стороны к возникновению двухфазных потерь, а с другой обусловливает эрозионное воздействие потока на элементы конструкции соплового блока. В связи с этим перед конструктором стоит задача минимизации двухфазных потерь и разрушения конструкционных материалов в сопловом блоке. Снижение двухфазных потерь достигается ограничением массового содержания в смесевом твердом топливе порошкообразного металлического горючего и оптимизация его дисперсного состава.

Для уменьшения эрозии сопла могут быть реализованы конструкционные мероприятия, связанные с оптимизацией газодинамического профиля. Например, для конических сужающихся участков выгоднее использовать значение полуугла раскрытия конуса 30^о…45^о [5]. Для расширяющихся участков могут быть реализованы следующие мероприятия [10].

1. Выбор профиля расширяющейся части сопла с угловой точкой.

2. В случае, если расширяющаяся часть профилируется дугой окружности, то следует увеличивать ее радиус до R_д = 35 R_кр.

3. Для значений d_a/d_кр = 7...9 оптимальное значение _а составляет 18^о...21^о.

4. Принимать значения угла _вх не более 25^о для сопел с R_кр  75 мм.