Определение оптимальной системы косых скачков уплотнения воздухозаборного устройства с учетом диссоциации набегающего потока воздуха при высоких скоростях набегающего потока

Язык труда и переводы:
УДК:
533.6.011.8
Дата публикации:
03 января 2022, 16:11
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Шостов Артём Константинович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Бугай Владимир Викторович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Федотова Ксения Викторовна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Проведено сравнение параметров набегающего потока за косым скачком уплотнения при расчете с учетом и без учета диссоциации молекул воздуха. Выявлены границы применимости последнего метода. Определены условия получения максимального коэффициента восстановления полного давления воздухозаборного устройства с учетом диссоциации воздуха. Проведена расчетная оценка с использованием библиотеки термодинамического расчета Cantera языка программирования Python.
Ключевые слова:
число Маха, скачок уплотнения, оптимизация, воздухозаборные устройства, диссоциация
Основной текст труда

Интенсивное развитие естественных наук, систем коммуникации и космических исследований привело к потребности в увеличении числа полетов на орбиту Земли. В настоящее время большой интерес представляет использование самолетных принципов при проектировании средств доставки полезных грузов в космос. При этом обеспечивается сравнительно меньшая стоимость за счет существенной сохраняемости и возможности многоразового использования всех элементов конструкции, а также вследствие более высокой экономичности силовой установки, использующей на значительной части траектории полета в качестве окислителя атмосферный воздух [1]. Одной из актуальных проблем при создании комбинированных силовых установок летательных аппаратов, использующих забортный воздух, является разработка эффективных воздухозаборных устройств (ВЗУ).

Сверхзвуковое ВЗУ используется для нагнетания набегающего воздушного потока в камеру сгорания комбинированной силовой установки [2]. Геометрические характеристики (например, количество и углы наклоны ступеней) ВЗУ подбираются таким образом, чтобы преобразование скоростного напора набегающего потока в статическое давление осуществлялось с наименьшими потерями, которые возрастают с увеличением интенсивности косых скачков уплотнения [3]. С повышением температуры заметную роль начинает играть возбуждение колебательных уровней внутренней энергии молекул кислорода и азота, содержащихся в воздухе. При температуре приблизительно 3000 K и давлении 1 атм. колебательные степени свободы молекул кислорода оказываются полностью возбужденными, и дальнейшее повышение температуры приводит к диссоциации.

При полете на скоростях выше пяти чисел Маха из-за торможения потока происходит сильный нагрев набегающего воздуха в системе косых скачков уплотнения, часто превышающих температуру плавления жаропрочных материалов [4]. В связи с этим протекают процессы, изменяющие свойства воздуха, а именно, происходит его диссоциация. При диссоциации воздуха значительно изменяются такие параметры как изобарная и изохорная теплоемкости и, соответственно, показатель адиабаты [5]. Поэтому при высоких скоростях полета уже нельзя не учитывать сопровождающую торможение набегающего потока диссоциацию.

В работе получены параметры воздуха с учетом диссоциации с использованием библиотеки Cantera для языка программирования Python [6]. Данная библиотека производит расчет равновесного состава по минимуму энергии Гиббса, используя модель полинома с семью коэффициентами NASA для параметризации теплоемкости. Рассмотрено влияние диссоциации воздуха при обтекании клина сверхзвуковым потоком на различные его параметры. Определена граница числа Маха, начиная с которой необходимо учитывать влияние диссоциации.

Получены оптимальные системы косых скачков для воздухозаборного устройства, обеспечивающие наибольший коэффициент восстановления полного давления. При малых числах Маха получено общеизвестное правило равенства интенсивности скачков для оптимального диффузора. Однако при увеличении числа Маха потока разность между интенсивностью первого и последнего скачка начинает увеличиваться.

Полученные результаты могут быть полезны экспертам при проектировании летательных аппаратов, рассчитанных на полеты на скоростях выше восьми чисел Маха.

Литература
  1. Голубев А.Г. Аэродинамика / под ред. В.Т. Калугина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 607 с.
  2. Строгалев В.П, Толкачева И.О., Быков Н.В. Основы прикладной газовой динамики. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 172 с.
  3. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика: учеб. руководство. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1991. 600 с.
  4. Основы проектирования ракетно-прямоточных двигателей для беспилотных летательных аппаратов / Б.В. Орлов и [др.] / под ред. Б.В. Орлова. М.: Машиностроение, 1967. 424 с.
  5. Ганжело А.Н. Оптимизация одной системы скачков уплотнения // Механика жидкости и газа. 2009. № 4. С. 162–172.
  6. David G. Goodwin, Raymond L. Speth, Harry K. Moffat, Bryan W. Weber. Cantera: An object-oriented software toolkit for chemical kinetics, thermodynamics, and transport processes. 2021. Version 2.5.1. DOI:10.5281/zenodo.4527812
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.