Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
К числу важнейших задач в современных запусках космических аппаратов относится разработка эффективных и одновременно экономичных двигателей. Потери в пристеночном слое, связанные с трением потока о стенку сопла, вызывают появление электрического потенциала на нем. Электризация трением потока о стенку сопла (двигательная электризация) также влияет на возникновение неоднородностей в потоке [1]. Как следствие этих процессов — возникновение поперечного тока в потоке продуктов сгорания. Эти процессы приводят к накоплению потенциала на корпусе изолированного двигателя и его влиянию на остальные агрегаты космического аппарата, возникновению электрических разрядов на борту летательного аппарата, помех системам управления и радиосвязи и другим эффектам, негативно влияющих на нормальную работу двигательной установки и космического аппарата в целом.
Преобразование химической энергии в тепловую в каналах ракетных двигателей происходит посредством горения топлива и характеризуется первичной генерацией заряженных компонент (ионов и электронов) и экзотермическими реакциями рекомбинации, протекающими преимущественно за фронтом пламени. Продукты сгорания топлива находятся в камере сгорания (КС) при высоких давлениях (до 25 МПа) и температурах (более 3500 K), характерных для ракетных двигателей на жидком (ЖРД) топливе (керосин и кислород) и могут рассматриваться как частично ионизованная плазма. Вблизи стенки образуется амбиполярная область, в которой происходят основные потери модель расчета которых приводят авторы данной статьи.
В работе рассмотрена электризация сопла потоком продуктов сгорания жидкого топлива (комбинации керосин-кислород) в ЖРД РД-191 при трех различных давлениях в камере сгорания: 10, 15 и 25 МПа.
На основе программного комплекса «TERRA» [4] определены основные характеристики потока (давление, температура, скорость, концентрации электронов, ионов и нейтральных компонент) и их распределения вдоль длины сопла в соответствии с его заданной конфигурацией. В качестве исходных параметров задавались давление в камере сгорания, энтальпия топлива, а также ряд отношений диаметров сопла к его критическому диаметру, чтобы задать исследуемые сечения.
По полученным результатам расчета программного комплекса, для расчетов использовались 30 различных компонент потока нейтральных частиц, 16 — ионов (как положительно, так и отрицательно заряженных) и электроны.
В соответствии с литературой [3], распределение концентраций ионов в пристеночной области было принято постоянным, а распределения электронов были аппроксимированы и оценены по известным зависимостям — концентрация электронов убывают, определили величину амбиполярной области, которая составила порядка 3 мм, в которой и были оценены и показаны величины возникающего погонного тока и падений напряжений.
Сетка расчета представляла собой разбиение сопла на 344 равных сечения шириной 5 мм. В каждом сечении был выполнен расчет тока и падения напряжения по полученным значениям, в которых были построены распределения искомых величин вдоль длины закритической части сопла.
Таким образом, величина тока в начале сопла (у критического сечения) достигала до 25 мА, а ближе к выходному сечению оказалась близка к нулю. Суммарный ток, возникающий на всей длине закритической части сопла, составил 55, 90 и 150 мА для давлений 10, 15 и 25 МПа в камере сгорания, соответственно.
Распределения полного падение напряжения, связанное только с амбиполярной диффузией, получены как в пристеночной области, так и по всей длине закритической части сопла. Так, в первых сечениях величина падения напряжения составляла порядка 3 В, а ближе к выходному сечению уменьшилась практически до 1,5 В. Данная картина характерна для всех исследуемых давлений.
Дальнейшая оценка подвижности электронов и электропроводности позволила провести расчеты и вычислить значения омической части падения напряжения, которая достигала 3, 4,5 и 7,5 В (для давлений в камере сгорания 10, 15 и 25 МПа, соответственно) у критического сечения и довольно резко падала ниже 1 В уже через 0,5 м сопла, а на выходе ее значение составляло порядка 0,1 В.
В работе были получены распределения токов и падений напряжения в сверхзвуковом потоке частично ионизованных продуктов сгорания ЖРД по длине закритической части сопла. Построение и аппроксимация графиков проводились в программе «Microsoft Excel».
Возникновение потенциала может оказывать существенное воздействие на элементы конструкции, если двигатель электрически изолирован. В связи с этим необходимо регулировать длину закритической части с учетом формируемого потоком продуктов сгорания потенциала на корпусе двигателя.
