RU2175399C2

RU2175399C2 - Method of control of rate of combustion of high-energy condensed system

Info

Publication number: RU2175399C2
Application number: RU99116758A
Authority: RU
Inventors: Г.Ф. Клякин; В.А. Таранушич; И.В. Хоружий
Original assignee: Южно-Российский государственный технический университет
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2001-10-27

Abstract

FIELD: solid-propellant rocket engines. SUBSTANCE: method includes heating by means of electric current supplied to electrode system and passed through reaction zone of combustion of condensed system. Electric field is formed in heated layer of condensed system which creates electric current. Constant electric contact is maintained between conduction zone and adjustable current source. Electrochemical regulation of kinetics of initial phases of combustion is effected through change of current magnitude by means of external control system. EFFECT: possibility of changing rate of combustion of condensed phase. 2 dwg

Description

Предложение относится к твердотопливным ракетным двигателям (РДТТ), в частности к физическим способам регулирования баллистических характеристик твердых топлив (ТТ или ВКС) и может быть использовано для построения замкнутых систем автоматического регулирования силы тяги РДТТ. The proposal relates to solid propellant rocket engines (solid propellant rocket engines), in particular to physical methods for regulating the ballistic characteristics of solid fuels (TT or VKS) and can be used to build closed systems for automatic control of solid propellant rocket motors.

Известен способ акустического воздействия на реакционную зону конденсированной фазы твердого топлива с целью изменения скорости ее газификации (горения) посредством регулирования мощности акустических волн излучателя в камере сгорания [1] . Однако этот способ, вызывающий турбулизацию газового потока вблизи поверхности разложения ТТ и, как следствие, изменение скорости горения топлива, ведет к заметному снижению удельного импульса двигательной установки, что делает его мало приемлемым для практического использования. A known method of acoustic impact on the reaction zone of the condensed phase of solid fuel in order to change the rate of gasification (combustion) by adjusting the power of the acoustic waves of the emitter in the combustion chamber [1]. However, this method, which causes turbulization of the gas flow near the decomposition surface of the TT and, as a consequence, a change in the burning rate of the fuel, leads to a noticeable decrease in the specific impulse of the propulsion system, which makes it hardly acceptable for practical use.

Известен способ регулирования скорости горения ТТ путем пропускания электрического тока через металлические проводники, вмурованные в заряд, посредством которых нагревают окружающую массу твердого топлива до заданных значений температур и изменяют скорость горения локальных областей топлива, входящих в зону горения с повышенной температурой [2]. Однако и этот способ имеет недостатки, т. к. влияет на изменение температуры и скорости горения только приэлектродных областей ТТ, создает внутренние градиенты температур в заряде, при этом электрическая мощность энергоустановки расходуется на изменение начальной температуры твердотопливного заряда, имеющего, как правило, низкую теплопроводность. A known method of controlling the combustion speed of a TT by passing an electric current through metal conductors walled into a charge, by means of which they heat the surrounding mass of solid fuel to specified temperatures and change the burning rate of local areas of fuel entering the combustion zone with an elevated temperature [2]. However, this method also has drawbacks, since it affects the temperature and burning rate of only the near-electrode regions of the CT, creates internal temperature gradients in the charge, and the electrical power of the power plant is used to change the initial temperature of the solid fuel charge, which, as a rule, has low thermal conductivity .

Наиболее близким предлагаемому способу по своим физическим признакам является способ, описанный в патенте GB 2028981. Однако в указанном способе электрический ток пропускают кратковременно через нагревательные элементы воспламенительных устройств, инициирующих процесс воспламенения дополнительных поверхностей горения заряда, процесс горения проходит в неуправляемом режиме и вызывает ступенчатое увеличение тяги ракеты, при отсутствии регулирования скорости горения твердотопливного заряда (ВКС). The closest to the proposed method in its physical characteristics is the method described in patent GB 2028981. However, in this method, an electric current is passed briefly through the heating elements of the ignition devices, initiating the ignition of additional surfaces of the combustion of the charge, the combustion process takes place in an uncontrolled mode and causes a stepped increase in traction missiles, in the absence of regulation of the rate of combustion of a solid fuel charge (VKS).

Задачей предложения является изменение скорости горения ВКС, управляемой и направленной передачей энергии в прогретый реакционный слой конденсированной фазы топлива. The objective of the proposal is to change the combustion rate of the VKS, controlled and directed transfer of energy to the heated reaction layer of the condensed phase of the fuel.

Решение задачи достигается способом регулирования скорости горения высокоэнергетичной конденсированной системы, включающим нагрев при помощи электрического тока, непосредственным пропусканием электрического тока через реакционную зону горения конденсированной системы, являющуюся проводником первого или (и) второго рода. The solution to the problem is achieved by a method of controlling the burning rate of a high-energy condensed system, including heating by electric current, by directly passing an electric current through the combustion reaction zone of a condensed system, which is a conductor of the first or (and) second kind.

Реализация способа заключается в том, что в твердотопливный заряд, находящийся в камере сгорания, встроена система металлических электродов, посредством которой в прогретом слое конденсированной системы ТТ создается электрическое поле, вызывающее в нем электрический ток, а также поддерживается постоянный электрический контакт между зоной проводимости и управляемым источником тока, осуществляющим электрохимическое регулирование кинетики начальных стадий реакции горения в прогретом слое конденсированной фазы топлива. При прочих равных условиях (химическом составе, температуре и давлении в камере и др.) скорость разложения (горения) ВКС является функцией тока, протекающего через проводящий слой. Электроды плавятся и выгорают вблизи границы конденсированной и газовой фаз вместе с перемещающимся фронтом горения топлива. Изменение величины тока с помощью внешней системы регулирования позволяет управлять скоростью горения, массовым расходом продуктов сгорания и, в частности, тяговыми характеристиками двигательной установки. The implementation of the method consists in the fact that a system of metal electrodes is built into the solid fuel charge in the combustion chamber, by means of which an electric field is generated in the heated layer of the condensed TT system, causing electric current in it, and a constant electrical contact between the conduction band and the controlled a current source performing electrochemical regulation of the kinetics of the initial stages of the combustion reaction in the heated layer of the condensed phase of the fuel. All other things being equal (chemical composition, temperature and pressure in the chamber, etc.), the rate of decomposition (combustion) of the SCS is a function of the current flowing through the conductive layer. The electrodes melt and burn out near the boundary of the condensed and gas phases together with a moving fuel combustion front. Changing the current value using an external regulation system allows you to control the burning rate, the mass flow of combustion products and, in particular, the traction characteristics of the propulsion system.

На фиг. 1 показана структурная схема замкнутой системы автоматического регулирования (CAP) расхода продуктов сгорания через сопло двигательной установки с отрицательной обратной связью по давлению в камере сгорания на основании электрохимического способа регулирования скорости горения ТТ заряда. Состав CAP: твердотопливный заряд 1 с электродной системой, находящийся в камере сгорания 2, содержащей датчик давления газовой фазы продуктов сгорания, сигнал от которого p_кс поступает в блок управления 3, выход которого подключен к управляемому источнику тока 4.In FIG. 1 shows a block diagram of a closed system of automatic control (CAP) of the flow of combustion products through the nozzle of the propulsion system with negative feedback on the pressure in the combustion chamber based on the electrochemical method of controlling the combustion speed of the TT charge. Composition of CAP: a solid fuel charge 1 with an electrode system located in the combustion chamber 2 containing a pressure sensor for the gas phase of the combustion products, the signal from which p _kc enters the control unit 3, the output of which is connected to a controlled current source 4.

Блок управления 3 сопоставляет действительное значение давления продуктов сгорания в камере 2 p_кс с программным p₀, поступающим от задающего устройства верхнего уровня и передает величину рассогласования ε в виде электрического сигнала в управляемый источник тока 4, который по величине ε изменяет ток i в реакционном слое ТТ, соответственно его температуру, скорость горения, давление в камере сгорания и массовый расход продуктов сгорания через сопло, пока рассогласование ε с требуемой точностью не будет устранено. Система автоматического регулирования работоспособна в течение всего времени включения двигательной установки и устраняет влияние всех возмущений (случайных и неслучайных), действующих на давление в камере сгорания.The control unit 3 compares the actual value of the pressure of the combustion products in the chamber 2 p _kc with the program p ₀ coming from the upper level driver and transmits the mismatch value ε in the form of an electric signal to the controlled current source 4, which changes the current i in the reaction layer by the value ε TT, respectively, its temperature, combustion rate, pressure in the combustion chamber and the mass flow of combustion products through the nozzle, until the mismatch ε with the required accuracy is eliminated. The automatic control system is operable during the entire time the engine is turned on and eliminates the influence of all disturbances (random and nonrandom) acting on the pressure in the combustion chamber.

В зависимости от требований к системе и характеру изменения во времени задающего воздействия замкнутая CAP может выполнять функции стабилизации давления, программного регулирования или следящей системы. Depending on the requirements of the system and the nature of the change in time of the setpoint, the closed-loop CAP can perform the functions of pressure stabilization, program regulation or servo system.

Физическая связь между скоростью горения твердотопливного заряда, давлением в камере и массовым расходом продуктов сгорания определяется по формулам [1]:
Секундный расход продуктов сгорания из камеры:

постоянная расхода,
n - показатель политропы расширения,
φ₂ - коэффициент расхода сопла,
F_кр - площадь критического сечения сопла,
R - газовая постоянная,
T - температура продуктов сгорания,
p_кс - давление в камере.The physical relationship between the burning rate of a solid fuel charge, the pressure in the chamber and the mass flow of combustion products is determined by the formulas [1]:
Secondary consumption of combustion products from the chamber:

flow rate constant
n is an indicator of polytropic expansion,
φ ₂ - nozzle flow coefficient,
F _cr - the critical area of the nozzle,
R is the gas constant
T is the temperature of the combustion products,
p _kc - pressure in the chamber.

Давление в камере сгорания:

где ρ_т- - плотность топлива,
S - площадь поверхности горения заряда,
ν - константа, определяемая свойствами топлива,
u(T_s) - функция скорости горения топлива от его температуры.Combustion chamber pressure:

where ρ _t - is the density of the fuel,
S is the surface area of the charge burning,
ν is a constant determined by the properties of the fuel,
u (T _s ) is a function of the burning rate of the fuel as a function of its temperature.

По экспериментальным исследованиям [3], скорость горения заряда имеет степенную зависимость от температуры поверхности газификации. According to experimental studies [3], the charge burning rate has a power-law dependence on the gasification surface temperature.

В зависимости от требований со стороны системы регулирования к общему сопротивлению электропроводной зоны ВКС на фиг. 2(а,б) представлены примеры реализации электродных систем в твердотопливном заряде с внутренним каналом горения. Отсутствуют ограничения к форме заряда, канала горения и числу электродов в заряде. Depending on the requirements of the control system to the total resistance of the conductive zone of the videoconferencing in FIG. Figure 2 (a, b) presents examples of the implementation of electrode systems in a solid fuel charge with an internal combustion channel. There are no restrictions on the shape of the charge, the combustion channel and the number of electrodes in the charge.

На фиг. 2а показана схема с поперечным расположением электродов в заряде относительно его продольной оси. Электроды в виде металлических листов или сеток плавятся и выгорают одновременно с зарядом на границе конденсированной и газовой фаз под воздействием высокотемпературного газового потока продуктов сгорания. Для защиты от теплового и эрозионного воздействия продуктов сгорания поверхности торцевых электродов закрыты бронировкой (теплозащитным покрытием). In FIG. 2a shows a diagram with a transverse arrangement of electrodes in a charge relative to its longitudinal axis. Electrodes in the form of metal sheets or grids melt and burn out simultaneously with a charge at the boundary of the condensed and gas phases under the influence of a high-temperature gas flow of combustion products. To protect against thermal and erosive effects of combustion products, the surfaces of the end electrodes are closed with a reservation (heat-protective coating).

На фиг. 2б показана схема с продольным расположением электродов. Плоскости электродов расположены радиально относительно продольной оси заряда и соединяются аналогично фиг. 2а параллельно между собой с последующим подключением к управляемому источнику тока. In FIG. 2b shows a diagram with a longitudinal arrangement of electrodes. The planes of the electrodes are located radially relative to the longitudinal axis of the charge and are connected similarly to FIG. 2a in parallel with each other with subsequent connection to a controlled current source.

Источники информации
1. Бабкин А. И., Белов С.И. и др. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками. М.: Машиностроение, 1978.Sources of information
1. Babkin A.I., Belov S.I. and other Fundamentals of the theory of automatic control of rocket propulsion systems. M .: Mechanical Engineering, 1978.

2. Фахрутдинов И.Х. Ракетные двигатели твердого топлива. М.: Машиностроение, 1981. 2. Fakhrutdinov I.Kh. Solid propellant rocket engines. M .: Mechanical Engineering, 1981.

3. Новожилов Б. В. Нестационарное горение твердых ракетных топлив. М.: Наука, 1973. 3. Novozhilov B. V. Unsteady combustion of solid rocket fuels. M .: Nauka, 1973.

Claims

A method of controlling the burning rate of a high-energy condensed system, including heating by means of an electric current supplied to the electrode system and passed through the combustion zone of the condensed system, characterized in that an electric field is generated in the heated layer of the condensed system, causing an electric current in it, a constant electric current is maintained contact between the conduction band and the controlled current source, changing the current value using an external regulation system carry out electrochemical regulation of the kinetics of the initial stages of combustion.