Химическая физика, 2021, T. 40, № 4, стр. 68-75

Расчетные исследования

На рис. 1 представлен облик ДПВРД, полученный с помощью многовариантных газодинамических расчетов. Детонационный ПВРД состоит из центрального тела (ЦТ) с передним конусом, цилиндрической частью и задним конусом, ВЗУ и кольцевой КС с газодинамическим изолятором, выполненным в виде обводного канала, расположенного между КС и внешней стенкой ЦТ. В условиях полета набегающий сверхзвуковой газовый поток сначала частично тормозится в косом скачке уплотнения, присоединенном к переднему конусу ЦТ, и в пристеночном пограничном слое, а затем ускоряется в веере волн разрежения с частичным восстановлением параметров и поступает в ВЗУ. Длина цилиндрической части ЦТ подобрана так, чтобы веер волн разрежения не заходил в ВЗУ. Местное число Маха течения на входе в ВЗУ составляет М ≈ 1.1М₀, местное статическое давление приблизительно равно 0.9Р_ст, а расход газа через ВЗУ достигает 94% от расхода газа, рассчитанного по скорости и плотности невозмущенного набегающего потока, а также по площади входного сечения ВЗУ.

Рис. 1.

Облик ПВРД для маршевого числа Маха полета М = 2.0. Размеры указаны в мм.

После входа в ВЗУ газовый поток разделяется на две части: одна часть поступает в КС, а другая – в обводной канал. В расчетах после зажигания в КС устанавливается непрерывно-детонационное горение горючей смеси, которое обеспечивает ускорение продуктов детонации вниз по потоку с образованием квазистационарной реактивной струи и созданием тяги. Непрерывно-детонационное горение в КС организовано так, чтобы ни горючая смесь, ни продукты детонации не проникали в ВЗУ вверх по потоку. Для условий полета с M₀ = 2.0 в расчетах наблюдается устойчивый рабочий процесс с одной ДВ, непрерывно вращающейся в кольцевом зазоре КС. Тангенциальная и осевая составляющие вектора скорости ДВ – около 1900 и 520 м/с, соответственно, что дает значение нормальной скорости детонации ≈1970 м/c. Длина волны в осевом направлении составляет около 70 мм, т.е. половину длины КС.

Газовый поток, поступающий в обводной канал, включает в себя пристеночный пограничный слой, образованный при обтекании ЦТ. Это исключает негативное влияние пограничного слоя на заполнение КС горючей смесью. Также газовый поток, направленный в обводной канал в обход КС, с одной стороны, обеспечивает охлаждение внутренней стенки КС, а с другой – предотвращает газодинамическое влияние непрерывно-детонационного горения горючей смеси в КС на течение газового потока на входе в ВЗУ. Детонационное горение горючей смеси в КС сопровождается генерацией газодинамических возмущений в виде ударных волн, бегущих по направлению к ВЗУ, которые вызывают повышение давления во входном сечении ВЗУ. Это может привести к нарушению работы ВЗУ и срыву непрерывно-детонационного горения в КС. Так как передняя кромка стенки, отделяющей КС от обводного канала, смещена в глубь ВЗУ, при выходе из КС такие ударные волны эффективно ослабляются и трансформируются в слабые акустические возмущения, которые не нарушают работу ВЗУ, но способствуют созданию дополнительной реактивной тяги при истечении струи из обводного канала.

Численная оптимизация геометрических параметров ДПВРД была направлена на подбор площадей сечений ВЗУ, КС и обводного канала. Площади подобраны так, чтобы обеспечить устойчивую работу ДПВРД как минимум с одной ДВ и устойчивую работу ВЗУ без “выбитого” скачка. Площади выходных сечений подобраны так, чтобы обеспечить практически полное расширение продуктов детонации и газа, протекающего через обводной канал, до атмосферного давления. Расчеты показали, что тяга ДПВРД создается при детонационном сжигании водорода с ≈35% воздуха, поступающего в ДПВРД, тогда как ≈65% воздуха проходит через обводной канал.

Расчеты рабочего процесса с изменением числа Маха набегающего потока при прочих равных условиях показали, что расчетная эффективная тяга ДПВРД становится положительной при М₀ ≥ 1.3, максимальное значение эффективной тяги (510 Н) достигается при М₀ = 2, а при М₀ ≥ 2.8 непрерывно-детонационный рабочий процесс неустойчив: он необратимо срывается без какого-либо остаточного горения водорода.

Экспериментальные исследования

На основе полученного расчетным путем облика ПВРД разработан и изготовлен макет-демонстратор длиной 730 мм с КС диаметром 120 мм, работающий на водороде. Водород подается в КС из коллектора на внешней стенке через пояс равноудаленных отверстий диаметром 0.8 мм (120 штук) с давлением подачи не более 3 МПа. Для инициирования непрерывно-детонационного рабочего процесса использовался инициатор детонации, работающий на водородно-кислородной смеси.

Огневые испытания макета-демонстратора проводились в импульсной аэродинамической трубе ФИЦ ХФ РАН с числом Маха набегающего потока воздуха от М₀ = 0.9 до М₀ = 2.5 и нормальным атмосферным давлением. Макет-демонстратор устанавливали на тяговый стол по оси сверхзвукового сопла с нулевым углом атаки. С помощью предварительных трехмерных газодинамических расчетов определено место установки макета-демонстратора по отношению к срезу сопла, при котором обтекание макета-демонстратора сверхзвуковой воздушной струей было максимально приближено к его обтеканию безграничным сверхзвуковым потоком. Дополнительно проведены расчеты обтекания макета-демонстратора ДПВРД, установленного на тяговом столе, сверхзвуковым воздушным потоком. Расчетные значения силы аэродинамического сопротивления ДПВРД, F_d, в набегающем воздушном потоке при М₀ = 2.0 и 1.5 составили –700 и –450 Н соответственно.

Система измерений параметров рабочего процесса в камере сгорания ДПВРД включала в себя низкочастотный датчик статического давления и высокочастотный датчик пульсаций давления. Кроме того, датчиком усилия измерялась сила, действующая на макет-демонстратор. В испытаниях также измерялись параметры стенда: статическое давление в воздушном ресивере, в камере высокого давления и на срезе сверхзвукового сопла АТ.

Результаты огневых испытаний подтвердили возможность организации устойчивого непрерывно-детонационного горения водорода в ДПВРД разработанной конструкции. В экспериментах получены характерные для непрерывно-детонационного горения записи датчика пульсаций давления с регулярными пульсациями треугольной формы, имеющими крутой фронт и постоянную частоту. При изменении коэффициента избытка воздуха (α) изменялись рабочий процесс в КС и его характерная частота: от ~800 до 2000 Гц.

На рис. 2 представлены кадры видеосъемки рабочего процесса в ДПВРД с М₀ = 0.9, 1.5 и 2.0 со значением α, близким к 1.0. При М₀ = 0.9 непрерывно-детонационное горение переходило в режим дефлаграционного горения в зонах отрыва течения в области переднего конуса ВЗУ. При М₀ = 1.5 ДПВРД работал нормально: никаких признаков нарушения работы ВЗУ не наблюдалось. При М₀ = 2.0 воздухозаборное устройство макета-демонстратора работало в нерасчетном режиме. Нарушение работы ВЗУ в испытаниях с М₀ = 2.0 связано с формированием зон отрыва течения на переднем конусе ДПВРД вследствие турбулентности набегающего воздушного потока. При М₀ = 2.5 рабочий процесс срывался из-за повышения числа Маха на входе в камеру сгорания и ее малой длины. Чтобы ДПВРД выбранной конфигурации эффективно работал при M₀ ≥ 2.5, необходимо уменьшать площадь входного сечения в КС, снижая скорость потока.

Рис. 2.

Кадры видеосъемки рабочего процесса в ДПВРД с М = 0.9 (а), 1.5 (б) и 2.0 (в) с коэффициентом избытка воздуха α, близким к 1.0.

Во всех огневых испытаниях измеренное значение силы, действующей на макет-демонстратор, было отрицательным. Это вызвано высоким аэродинамическим сопротивлением системы крепления модели на тяговом столе (см. выше). Если исключить последнее из аэродвигательного баланса, эффективная тяга получится положительной: ≈200 Н при М₀ = 1.5 и ≈160 Н при М₀ = 2.0. Снижение эффективной тяги при М₀ = 2.0 вызвано потерями, возникающими при нерасчетной работе ВЗУ.

Обеднение состава ТВС водородом до α > 1.6 приводило к срыву непрерывно-детонационного горения, причем эффективная тяга ДПВРД оставалась положительной до α = 1.5 при М₀ = 1.5 и до α = 1.3 при М₀ = 2.0. Максимальный измеренный удельный импульс составлял I_sp ≈ 1600 с и достигался при максимальном значении α, при котором в камере сгорания ДПВРД наблюдалось устойчивое непрерывно-детонационное горение. Удельный импульс для режимов работы ДПВРД на стехиометрической ТВС с максимальной тягой составил I_sp ≈ 1200–1400 с.

Таким образом, нами экспериментально доказано, что использование непрерывно-детонационного горения позволяет расширить диапазон устойчивой и эффективной работы ПВРД на область чисел Маха полета существенно ниже 2.0: число Маха подхвата для водородного ДПВРД может принимать значения на уровне M₀ = 1.5 (теоретически – на уровне M₀ = 1.3).

Расчетные исследования

В работах [9, 10] с помощью многовариантных трехмерных численных расчетов разработан облик ДПВРД для атмосферного полета с числом Маха М₀ = 5.0 на высоте 20 км (рис. 3). Детонационный ПВРД включает в себя сверхзвуковое ВЗУ с центральным телом и расширяющуюся кольцевую КС. Сверхзвуковой воздушный поток тормозится в трех косых скачках уплотнения до некоторой сверхзвуковой скорости в “горле” ВЗУ. Газообразный водород подается через пояс радиальных отверстий на внешней и/или внутренней стенках проточного тракта в области горла ВЗУ. Общая длина ДПВРД, включая ВЗУ, составила около четырех калибров КС. Расчеты показали возможность устойчивого непрерывно-детонационного горения водорода в таком ДПВРД и получения значительной положительной эффективной тяги силовой установки при удельном импульсе по топливу до 2600 с.

Рис. 3.

Облик ДПВРД с непрерывно-детонационной камерой сгорания для условий полета с числом Маха М = 5 на высоте Н = 20 км: I – ВЗУ, II – горло ВЗУ, III – КС.

В установившемся рабочем процессе с одной ДВ, непрерывно вращающейся в кольцевом зазоре КС, фронт ДВ сильно наклонен навстречу набегающему воздушному потоку. Угол наклона фронта ДВ определяется числом Маха на входе в КС и числом Маха ДВ. Результаты расчетов показали, что при М₀ = 5 оптимальная скорость в горле ВЗУ, которое является входом в КС, составляет М_г ≈ ≈ 2.0–2.5 и зависит от состава ТВС.

Экспериментальные исследования

Для экспериментальной проверки полученных результатов нами разработан и изготовлен макет-демонстратор ДПВРД с камерой сгорания диаметром 310 мм и длиной 1050 мм, соответствующий облику на рис. 3. Диаметр передней кромки внешней обечайки ВЗУ равен 284 мм. Водород в КС подается через кольцевой пояс из 200 равномерно распределенных радиальных отверстий диаметром 0.8 мм, расположенный на центральном теле на расстоянии 10 мм вниз по потоку от горла ВЗУ. Для управления детонационным горением в макете-демонстраторе предусмотрена возможность дросселирования потока в выходном сечении КС с помощью присоединения к центральному телу плоских дроссельных дисков диаметром 200, 220 и 240 мм (далее – Д200, Д220 и Д240) с острыми кромками, перекрывающих сечение кольцевого зазора КС на 30, 40 и 50% соответственно.

Испытания макета-демонстратора проведены в аэродинамических трубах ИТПМ СО РАН “Транзит-М” и “АТ-303”. Проведено две серии огневых испытаний. Первая серия выполнена в АТ “Транзит-М” при числах Маха набегающего воздушного потока от М₀ = 4 до М₀ = 8 и температуре торможения воздуха Т₀ = 300 К [11–13]. Вторая серия выполнена в АТ “АТ-303” при числе Маха М₀ = 5.7 и реальной температуре торможения воздушного потока Т₀ = 1500 К [14–17] (давление торможения Р₀ = 1.6 МПа).

Следует отметить, что во всех испытаниях для успешного инициирования детонации ТВС требовалось использовать дроссельные диски. Однако в отличие от первой серии экспериментов, в которой приходилось применять внешнее зажигание с помощью водородно-кислородного детонатора, во второй серии детонация инициировалась самопроизвольно, без детонатора.

В зависимости от числа Маха набегающего воздушного потока и состава ТВС в экспериментах зарегистрированы два типа рабочего процесса: с непрерывной спиновой детонацией (НСД) и с продольно-пульсирующей детонацией (ППД) водорода – предельным режимом непрерывно-детонационного горения [18]. На рис. 4 показаны примеры “визуализации” этих режимов в виде продольной и кольцевой разверток по времени записей ионизационных зондов, установленных в КС. Режим НСД характеризуется постоянной скоростью вращения детонационной волны в кольцевом зазоре КС, которая видна на кольцевой развертке в виде светлых линий с постоянным углом наклона. Частота вращения ДВ на рис. 4 равна ≈1250 Гц, что соответствует видимой скорости распространения ДВ в тангенциальном направлении ≈1200 м/с. Соответствующая продольная развертка сигналов показывает, что высота ДВ близка к 200 мм. Вычисляя разницу по времени между сигналами на последнем и первом (по течению) ионизационных зондах, расположенных вдоль оси КС, можно оценить угол наклона ДВ к оси КС и оценить нормальную скорость распространения ДВ при НСД: 1500–1700 м/с. По углу φ (см. рис. 4) можно оценить величину скорости свежей смеси перед фронтом ДВ: 550–750 м/с, что соответствует местному числу Маха M = 1.5–2.0. Рассчитанные на основе экспериментальных данных форма и скорость ДВ хорошо согласуются с данными, полученными с помощью многомерных численных расчетов.

Рис. 4.

Примеры визуализации рабочего процесса с НСД и ППД водорода в виде кольцевой и продольной разверток записей ионизационных зондов.

Рабочий процесс с ППД на кольцевой развертке сигналов ионизационных зондов регистрируется в виде светлых полос с ярко выраженными изломами – лидирующими точками, соответствующими опережающему приходу ДВ на тот или иной зонд со стороны выходного сечения КС. В этом случае полосы, отходящие в обе стороны от лидирующей точки, соответствуют распространению ДВ по окружности КС со скоростью около 1800 м/с. Характерная частота рабочего процесса в режиме ППД составляет 900 Гц. По продольной развертке сигналов для такого режима можно заключить, что периодическое реинициирование детонации происходит в свежей смеси на расстоянии 200–250 мм от горла ВЗУ, а образованная ДВ распространяется вверх по потоку с видимой скоростью около 1000 м/с, т.е. скорость детонации составляет 1550–1750 м/с. Записи датчиков полного и статического давлений, установленных в горле ВЗУ, и видеосъемка течения в области ВЗУ, в том числе с использованием теневых приборов, показали отсутствие нарушений течения на входе в воздухозаборное устройство ДПВРД.

На рис. 5 представлены экспериментальные зависимости удельного импульса по топливу от расхода водорода. Эти зависимости полученны по значениям измеренной тяги ДПВРД и измеренного расхода водорода. Обработка данных показала, что для всех скоростей набегающего воздушного потока удельный импульс растет с уменьшением расхода водорода и достигает максимального значения при его минимальном расходе, при котором еще регистрировалось детонационное горение в КС. Удельный импульс для ТВС околостехиометрического состава составил 2400–2800 с, что хорошо согласуется с результатами трехмерного численного расчета (2600 с). Максимальные значения удельного импульса получены для режимов с числом Маха М₀ = 5 и 6. Для М₀ = 8 максимальный удельный импульс ниже на 200–300 с вследствие снижения давления в КС.

Рис. 5.

Экспериментальные зависимости удельного импульса от расхода водорода для М = 5 (◼), 6 (⚫) и 8 (▲). Светлые точки соответствуют режимам горения с коэффициентом избытка воздуха α, близким к 1.0.

Основное отличие второй серии огневых испытаний от первой – использование набегающего сверхзвукового воздушного потока с реальной температурой торможения, т.е. моделирование условий атмосферного полета ЛА с ДПВРД. Повышение температуры торможения привело к более устойчивому рабочему процессу с НСД, причем характерная частота вращения ДВ увеличилась до 1300 Гц. Повышение коэффициента избытка воздуха до α = 1.4 приводило к срыву рабочего процесса с НСД: наблюдался рабочий процесс с ППД. Дальнейший рост α до 1.6 приводил к срыву детонационного горения в КС. Результаты измерений тяги ДПВРД показали снижение измеренного удельного импульса по топливу на ~200 с по сравнению с экспериментами с холодным потоком. При α = 1.2 значение удельного импульса по топливу составило 3300 с.

Таким образом, нами экспериментально доказано, что использование непрерывно-детонационного горения позволяет расширить диапазон устойчивой и эффективной работы ПВРД на область чисел Маха полета существенно выше 5.0 за счет перехода от дефлаграционного режима горения водорода к непрерывно-детонационному.