RU2208694C1

RU2208694C1 - Methosd of suppressing vibratory combustion in high energy condensed systems

Info

Publication number: RU2208694C1
Application number: RU2001128572/06A
Authority: RU
Inventors: И.В. Хоружий
Original assignee: Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2003-07-20

Abstract

FIELD: high energy condensed systems. SUBSTANCE: proposed method of suppression of vibratory combustion in high energy condensed systems is effected by generation of antiphase thermoacoustic waves in space of combustion chamber excited by electric current with controlled amplitude phase-response characteristics which is passed through conducting reaction zone of fuel condensed phase. Amplitude of forced fluctuations of pressure and process of vibratory combustion of solid propellant change are suppressed by pulse changing of burning rate and mass rate of combustion products in high energy condensed system. This method makes it possible to suppress vibratory combustion of solid propellant charge inside combustion chamber accompanied by periodical acoustic fluctuations of pressure in vapor-smoke-gas phase. EFFECT: improved suppression of vibratory combustion. 1 dwg

Description

Изобретение относится к твердым ракетным топливам (ТРТ), в частности к физическим способам подавления вибрационного горения твердых ракетных топлив (ТРТ или высокоэнегетичных конденсированных систем - ВКС) в камерах сгорания, и может быть использовано в системах автоматического регулирования внутридвигательных параметров ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ). The invention relates to solid rocket fuels (TRT), in particular to physical methods for suppressing vibrational combustion of solid rocket fuels (TRT or highly energetic condensed systems - VKS) in combustion chambers, and can be used in automatic control systems for the propulsion parameters of solid propellant rocket engines (RTTT) )

Известен способ предотвращения вибрационного горения (нестационарного режима горения) ВКС в камере сгорания [1, 2], в случае его возникновения, экспериментальным варьированием физико-химического состава ТРТ, например, изменением (подбором) размера частиц фракций окислительных и (или) горючих (металлов) компонентов в твердотопливном заряде. Однако процесс возникновения и развития вибрационного горения надежному прогнозированию не поддается и в каждом конкретном случае исследуется и по возможности устраняется экспериментально. Поэтому этот эмпирический способ требует многочисленных огневых испытаний и в дальнейшем не позволяет полностью исключить возможность возникновения вибрационного горения, способного привести к отказам в системе управления полетом и к аварийному режиму работы РДТТ. There is a method of preventing vibrational combustion (non-stationary combustion mode) of VKS in the combustion chamber [1, 2], in case of its occurrence, by experimental variation of the physicochemical composition of TRT, for example, by changing (selection) of particle size of oxidizing and (or) combustible (metal) fractions ) components in a solid fuel charge. However, the process of the occurrence and development of vibrational combustion cannot be reliably predicted, and in each case it is investigated and, if possible, eliminated experimentally. Therefore, this empirical method requires numerous fire tests and further does not completely exclude the possibility of vibration combustion, which can lead to failures in the flight control system and to the emergency operation of the solid propellant rocket engine.

Известен способ противодействия развитию вибрационного горения ТРТ [2] размещением в камере сгорания ракетного двигателя специальных акустических диафрагм и звукопоглощающих экранов, нарушающих процессы возникновения и развития акустических мод колебаний в свободном объеме камеры сгорания двигателя, т. е. пародымогазовой фазе ВКС. В виду высокой сложности моделирования процесса и механизмов возникновения колебаний в конденсированной и пародымогазовой фазе ВКС, способ также требует длительных экспериментальных исследований по акустической неустойчивости двигателя и может использоваться в качестве дополнительных мер к упомянутому ранее способу. A known method of counteracting the development of vibrational combustion of TRT [2] by placing special acoustic diaphragms and sound-absorbing screens in the combustion chamber of a rocket engine disrupting the processes of occurrence and development of acoustic modes of vibrations in the free volume of the combustion chamber of the engine, i.e., the gas-vapor phase of the VKS. In view of the high complexity of modeling the process and the mechanisms of oscillations in the condensed and vapor-gas phase of the VKS, the method also requires lengthy experimental studies on the acoustic instability of the engine and can be used as additional measures to the previously mentioned method.

Наиболее близким к предлагаемому способу по своим физическим признакам является способ акустического воздействия на пародымогазовую и конденсированную фазы ВКС искусственной генерацией акустических волн в свободном объеме камеры сгорания [1, 3]. Генерируемые акустическим излучателем в камере сгорания волны совпадают по частоте, но находятся в противофазе с возникшими резонансными колебаниями, что может привести в результате их взаимного сложения к ослаблению или устранению колебательных процессов горения твердотопливного заряда и давления. Closest to the proposed method in its physical characteristics is a method of acoustic exposure to the steam-gas and condensed phases of an aerospace system by artificial generation of acoustic waves in the free volume of the combustion chamber [1, 3]. The waves generated by the acoustic emitter in the combustion chamber coincide in frequency, but are out of phase with the resonant vibrations that have arisen, which, as a result of their mutual addition, can attenuate or eliminate the oscillatory processes of combustion of the solid fuel charge and pressure.

Однако и этот способ имеет недостатки. Экспериментально установлено, что воздействие звуковых волн из пародымогазовой фазы на реакционную зону горения топлива вызывает существенное снижение удельного импульса РДТТ [3]. При этом на борту ракеты еще необходим мощный излучатель акустических волн. However, this method has disadvantages. It was experimentally established that the effect of sound waves from the vapor-gas phase on the reaction zone of fuel combustion causes a significant decrease in the specific impulse of solid propellant rocket rocket engine [3]. At the same time, a powerful emitter of acoustic waves is still needed on board the rocket.

Задачей предложения является подавление вибрационного режима горения твердотопливного заряда (ВКС) внутри камеры сгорания, сопровождающегося периодическими акустическими колебаниями давления в пародымогазовой фазе ВКС. The objective of the proposal is to suppress the vibrational regime of combustion of a solid fuel charge (VKS) inside the combustion chamber, accompanied by periodic acoustic pressure fluctuations in the vapor-gas phase of the VKS.

Решение задачи достигается способом подавления вибрационного горения высокоэнергетичной конденсированной системы (ВКС), включающим пропускание электрического тока через реакционную зону конденсированной фазы топлива [5] и генерацию противофазных акустических волн в камере сгорания, при котором управляемым изменением амлитудофазочастотных характеристик (АФЧХ) тока, пульсационно изменяют скорость горения и мгновенные значения массового расхода продуктов сгорания ВКС, излучают термоакустические волны с поверхности горения заряда и демпфируют амплитуду вынужденных колебаний давления продуктов сгорания в камере и процесс вибрационного горения твердотопливного заряда. The solution to the problem is achieved by the method of suppressing vibrational combustion of a high-energy condensed system (VKS), including passing an electric current through the reaction zone of the condensed phase of the fuel [5] and generating out-of-phase acoustic waves in the combustion chamber, in which, by controlled variation of the amplitude-frequency characteristics (AFC) of the current, the speed fluctuates combustion and instantaneous values of the mass flow of combustion products of the VKS, emit thermoacoustic waves from the surface of the charge combustion and empfiruyut amplitude of forced oscillations of pressure in the combustion chamber and the combustion vibration process the solid charge.

Реализация способа заключается в том, что в случае возникновения признаков развития вибрационного режима горения ВКС, т.е. нарастания амплитуды колебательных процессов давления в пародымогазовой фазе ВКС, величину скорости горения твердотопливного заряда изменяют синхронно и в противофазе с колебаниями (пульсациями) давления в камере, при этом
во-первых, противофазно изменяется передача энергии в реакционную зону конденсированной фазы ВКС и продукты разложения (сгорания) ВКС, устраняя положительную обратную связь в колебательной системе между реакционной зоной конденсированной и пародымогазовой фазами ВКС;
во-вторых, поверхность горящего твердотопливного заряда (ВКС) сама становится источником (излучателем) термоакустических волн [4], при взаимном противофазном сложении с которыми резонансные колебательные процессы в пародымогазовой и конденсированной фазах твердого топлива могут быть полностью устранены.The implementation of the method lies in the fact that in the event of signs of development of a vibrational combustion mode of the VKS, i.e. the increase in the amplitude of the oscillatory processes of pressure in the vapor-gas phase of the HVS, the rate of combustion of the solid fuel charge is changed simultaneously and in antiphase with fluctuations (pulsations) of pressure in the chamber,
firstly, the energy transfer to the reaction zone of the condensed HVS phase and the products of decomposition (combustion) of the HVC is reversed in phase, eliminating the positive feedback in the oscillatory system between the reaction zone of the condensed and vapor-gas phases of the HVS;
secondly, the surface of a burning solid propellant charge (VKS) itself becomes a source (emitter) of thermoacoustic waves [4], with mutual antiphase addition with which resonant oscillatory processes in the vapor-gas and condensed phases of solid fuel can be completely eliminated.

На чертеже показана структурная схема системы автоматического регулирования (CAP), реализующая контроль и подавление нестационарного (вибрационного) режима горения ВКС. Из камеры сгорания 1 высокоэнергетичной конденсированной системы (РДТТ) величина акустических колебаний давления пародымогазовой фазы ВКС P(t) анализируется (обрабатывается) в блоке управления скоростью горения ТРТ 2 (ВКС). В случае появления признаков колебательного возрастания давления в камере сгорания и развития нестационарного (вибрационного) горения ТРТ блок управления 2 изменяет амплитудофазочастотные характеристики (АФЧХ) электрического тока i(t), управляющего скоростью горения твердотопливного заряда (ВКС) 3 и подавляет (демпфирует) вибрационный режим горения ТРТ, снижая опасную величину амплитуды пульсаций давления продуктов сгорания ВКС в камере. Возможны различные специальные алгоритмы изменения тока управления скоростью горения ВКС i(t) (с изменением или без изменения секундного массового расхода m(t) ВКС в камеру сгорания и др.) с целью минимизации влияния аномального процесса вибрационного горения на программу работы РДТТ. The drawing shows a structural diagram of an automatic control system (CAP) that implements control and suppression of unsteady (vibrational) VKS combustion mode. From the combustion chamber 1 of the high-energy condensed system (RTTT), the value of the acoustic pressure fluctuations of the vapor-gas phase of the HVS P (t) is analyzed (processed) in the combustion speed control unit TRT 2 (VKS). In the event of signs of oscillatory increase in pressure in the combustion chamber and the development of unsteady (vibrational) combustion of the TPT, the control unit 2 changes the amplitude-phase-frequency characteristics (AFC) of the electric current i (t), which controls the rate of combustion of the solid fuel charge (VKS) 3 and suppresses (dampens) the vibration mode combustion TRT, reducing the dangerous value of the amplitude of the pressure pulsation of the combustion products of the VKS in the chamber. Various special algorithms are possible for changing the current for controlling the combustion speed of the VKS i (t) (with or without changing the second mass flow rate m (t) of the VKS to the combustion chamber, etc.) in order to minimize the influence of the anomalous process of vibration combustion on the solid propellant rocket motor work program.

Литература
1. М.С. Штехер. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1976, стр. 178, 179.Literature
1. M.S. Stekher. Fuel and propellants of rocket engines. M.: Mechanical Engineering, 1976, p. 178, 179.

2. Орлов Б. Ю. , Мазинг Г.Ю. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе: Учеб. пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1979, стр. 228-230. 2. Orlov B. Yu., Masing G.Yu. Thermodynamic and ballistic fundamentals of designing solid propellant rocket engines: Textbook. manual for universities. M.: Mechanical Engineering, 1979, pp. 228-230.

3. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками / А.И. Бабкин, С.И. Белов, Н.Б. Рутовский и др. М.: Машиностроение, 1986, стр. 256. 3. Fundamentals of the theory of automatic control of rocket propulsion systems / A.I. Babkin, S.I. Belov, NB Rutovsky et al. M.: Mechanical Engineering, 1986, p. 256.

4. Л.К. Зарембо, B.А. Красильников. Введение нелинейную акустику. - М.: Наука, 1966. Гл.12. 4. L.K. Zarembo, B.A. Krasilnikov. Introduction to non-linear acoustics. - M .: Nauka, 1966. Ch. 12.

5. Заявка 99116758/06, приор. 29.07.99 г., пол. реш. 01.06.01 г. 5. Application 99116758/06, prior. 07/29/99, gender dec. 06/01/01

Claims

A method of suppressing vibrational combustion of a high-energy condensed system (VKS), including passing an electric current through the reaction zone of the condensed phase of the fuel and generating out-of-phase acoustic waves in the combustion chamber, characterized in that the burning rate and instantaneous values of the mass flow rate of the combustion products are pulsed by a controlled change in the amplitude-frequency characteristics of the current VKS, emit thermoacoustic waves from the surface of the charge burning and damp the amplitude of the forced pressure fluctuations of the combustion products in the chamber and the process of vibrational combustion of a solid fuel charge.