Теоретическое обоснование создания ракетного двигателя на порошкообразном металлическом горючем и воде в качестве окислителя

• Автор: Бербек, Андрей Михайлович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 155 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Анализ проблемы создания двигательных установок на ПМГ и
воде для межпланетных космических летательных аппаратов
1Л. Анализ целесообразности использования топлива металл+вода при
исследовании объектов солнечной системы
1.2. Анализ внутрикамерных процессов при сжигании металлов в воздухе и водяном паре
1.2.1. Особенности металлических горючих
1.2.2. Воспламенение и горение металлов в воздухе и среде, содержащей
водяной пар
1.3. Анализ способов организации внутрикамерных процессов в двигательных установках на ПМГ
1.3.1. Первичное смешение
1.3.2. Воспламенение и стабилизация пламени
1.3.3. Первичное горение
1.3.4. Вторичное смешение
1.3.5. Вторичное горение
1.3.6. Истечение из сопла
1.4. Особенности внутрикамерных процессов при сжигании топлива ПМГ + вода
1.5. Анализ существующей схемы РД ПМГ ВО, её достоинств и
недостатков
Выводы. Постановка задач диссертационной работы
ГЛАВА 2. Выбор горючего и организация внутрикамерных процессов ракетного двигателя на ПМГ и воде в качестве окислителя
2.1. Термодинамические расчёты топлив ПМГ+ВОДА
2.2. Выбор металлического горючего для ракетного двигателя на воде в качестве окислителя

2.2.1. Эксплуатационные характеристики
2.2.2. Термодинамические характеристики
2.2.3. Энергетические характеристики
2.2.4. Дисперсные характеристики
2.2.5. Отработанность технологии
2.2.6. Отработанность процессов
2.2.7. Выбор горючего
2.3. Выбор оптимальных значений внутрикамерных параметров
2.4. Способ организации внутрикамерных процессов в ракетном двигателе на топливе алюминий+вода
2.5. Описание внутрикамерных процессов
2.5.1. Подача порошка алюминия в форкамеру и распределение по рабочему объёму
2.5.2. Подача кислородсодержащего газа в форкамеру и распределение по рабочему объёму
2.5.3. Подача воды в форкамеру и распределение по рабочему объёму
2.5.4. Подача воды в основную камеру сгорания и распределение по рабочему объёму
2.5.5. Смешение алюминия с кислородсодержащим газом и воспламенение смеси
2.5.6. Смешение воспламенившейся газовзвеси алюминия с водой и первичное горение
2.5.7. Вторичное горение ПМГ
2.5.8. Расширение двухфазного потока в сопле и истечение
2.6. Воспламенение ПМГ
2.7. Первичное горение воспламенившейся смеси
Выводы
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования распыла воды центробежными форсунками, предназначенными для установки в форкамере ракетного
двигателя на ПМГ и воде
3.1. Описание экспериментального оборудования
3.2. Система измерения
3.3. Описание форсунки ФР-94ДС
3.4. Методика проведения экспериментов
3.5. Отработка методики измерений
3.6. Описание проведённых экспериментов
3.6.1. Постановка задачи
3.6.2. Измерения в сечении
3.6.3. Измерения в сечении
Выводы
ГЛАВА 4. Разработка схемы ракетного двигателя на ПМГ и ВО.
Рекомендации к проектированию его систем и элементов
4.1. Схема ракетного двигателя на ПМГ и ВО
4.2. Система подачи основных компонентов
4.3. Камера сгорания
4.3.1. Схема камеры сгорания
4.3.2. Условия эффективности процессов в камере сгорания
4.4. Процессы в зоне первичного горения
4.4.1. Оценка времени воспламенения частиц алюминия в форкамере
4.4.2. Оценка времени горения частиц алюминия в форкамере
4.5. Процессы в основной зоне камеры сгорания
4.5.1. Распыливание воды струйными форсунками. Оценка максимального размера капель
4.5.2. Модель процессов испарения капель воды
4.5.3. Расчёт испарения капель воды
4.6. Профилированное сопло
4.7. Защита стенок камеры сгорания и сопла
4.7.1. Форкамера
4.7.2. Основная камера сгорания
Из-за перечисленных выше особенностей стабилизация пламени в потоке металловоздушной смеси традиционными методами малоэффективна: а) в обратных потоках металлическое горючее и его продукты сгорания будут участвовать преимущественно в конденсированной фазе, а не в газовой; б) конденсированная фаза будет интенсивно налипать на поверхность стабилизаторов, уменьшая проходное сечение потока и вызывая неустойчивость процессов горения; в) повышенная турбулентность, высокая температура, скорость и содержание конденсированной фазы в зоне обратных токов (ЗОТ) приведут к резкому возрастанию теплового и эрозионного воздействия на элементы конструкции; г) крупные частицы металла не будут участвовать в движении обратных токов, поэтому время их пребывания в зоне высокой температуры мало и они не будут успевать воспламеняться и сгорать; д) при срыве с поверхности стабилизаторов налипшего жидкого металла образуются крупные капли, которые не будут успевать сгорать.
Поэтому в случае использования в качестве горючего порошкообразных металлов не все положения способа сжигания углеводородных горючих [21 - 26, 76 - 79] приемлемы. Не может быть принята рекомендация воспламенять смесь и стабилизировать фронт пламени при соотношении компонентов, близком к стехиометрическому. Организация воспламенения при а порядка единицы в силу высокой скорости и низкой температуры первичного потока не позволит стабилизировать фронт пламени. На основе анализа, проведённого автором выше, следует, что максимальная скорость распространения пламени в аэровзвесях ПМГ наблюдается при а много меньше единицы (а * 0,1).
Отмеченные выше недостатки организации рабочего процесса в камере сгорания реактивных двигателей на ПМГ частично устранены в работах [9 54, 60, 83 - 84]. Во всех этих работах за основу взят способ организации рабочего процесса в ГОРД на углеводородном горючем. В целом эти рекомендации, как показано в работе [9], позволяют добиться устойчивого