Численное моделирование и экспериментальное исследование рабочего процесса в камере РДМТ на газообразных компонентах топлива кислород + метан

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО
ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ РДМТ
НА КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА
КИСЛОРОД + МЕТАН

Методические указания к выполнению лабораторных работ
по курсам «Численное моделирование рабочих процессов
в ракетных двигательных установках на жидких,
газообразных и порошкообразных компонентах топлива»,
«Расчет и конструкция камеры ЖРД »,
«Основы расчета и проектирования ЖРДМТ»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2009

УДК 621.455
ББК 39.65
Ч-671

Ч-671

Р е ц е н з е н т
А.А. Дорофеев

Численное моделирование и экспериментальное исследование рабочего процесса в камере РДМТ на газообразных компонентах топлива кислород + метан: Метод. указания к выполнению лабораторных работ по курсам «Численное моделирование рабочих процессов в ракетных двигательных установках на жидких, газообразных и порошкообразных
компонентах топлива», «Расчет и конструкция камеры ЖРД»,
«Основы расчета и проектирования ЖРДМТ» / В.А. Буркальцев, В.И. Лапицкий, А.В. Новиков и др. – М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2009. – 60 с.: ил.

Приведены две лабораторные работы, посвященные расчету характеристик рабочего процесса в камере ракетного двигателя на газообразных компонентах топлива (РДМТ) с использованием пакета Fortran Power Station, а также экспериментальному определению
эффективности рабочего процесса в камере РДМТ на газообразных
компонентах кислород + метан. Дано описание экспериментального
стенда. Изложены методика проведения огневых стендовых испытаний РДМТ на газообразных компонентах топлива и методика обработки результатов таких испытаний. Представлен пример проведения
сравнительного анализа результатов огневых стендовых испытаний с
результатами численного моделирования рабочих процессов в камере
РДМТ.
Для студентов, изучающих курсы «Численное моделирование рабочих процессов в ракетных двигательных установках на жидких,
газообразных и порошкообразных компонентах топлива», «Расчет
и конструкция камеры ЖРД», «Основы расчета и проектирования
ЖРДМТ».
УДК 621.455
ББК 39.65

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009

ВВЕДЕНИЕ

Расширение сферы использования космического пространства
(навигация, связь, изучение ресурсов Земли, промышленность, телевидение, астрономия, метеорология и т. д.) предполагает в перспективе рост количества и массы запускаемых искусственных
спутников Земли. Становится необходимым использование ракет
разных классов с полезными нагрузками от сотен килограммов
до десятков тонн, не наносящих ущерба экологии околоземного
пространства.
Успешная разработка новых двигательных установок, рациональный выбор их параметров, повышение эффективности и надежности функционирования новых изделий требуют системного
подхода ко всем этапам разработки этих изделий, включая как расчетную, так и экспериментальную части.
Основные общие требования к ракетным двигателям (РД) нового поколения [1] перечислены ниже.
1. Компоненты ракетного топлива должны быть дешевыми,
экологически чистыми. Сырьевая база для их производства должна быть неограниченной. Кроме того, компоненты топлива должны
иметь широкое применение в других отраслях промышленности.
2. Двигатели должны иметь высокие энергетические и импульсные характеристики, но их достижение не должно идти в
ущерб надежности, безаварийности и стоимости.
3. Двигатель должен проходить на заводе контрольно-технологические испытания (КТИ) без последующей переборки и в составе изделия при необходимости.
4. Конструкция РД должна быть приспособлена для диагностических и ремонтных работ, а также для его межполетного технического обслуживания на техническом комплексе при многократном

3

использовании такого двигателя. Стоимость межполетного обслуживания РД должна быть минимальной.
Согласно изложенным требованиям топлива на основе сжиженных газов, в частности кислорода и метана, будут востребованы как для верхних ступеней ракет-носителей, так и космических
летательных аппаратов (КЛА) различных типов. Таким образом,
актуальной является задача создания и отработки РД малой тяги
(РДМТ) на компонентах топлива кислород + метан.
Возможности современной электронно-вычислительной техники, математического аппарата и наличие результатов огневых стендовых испытаний (ОСИ) РДМТ позволяют на этапе эскизного проектирования существенно сократить затраты на создание двигателя
с помощью методов моделирования и выработки предварительных
рекомендаций по проектированию камер сгорания (КС). Численное
моделирование дает возможность провести оптимизацию параметров и размеров КС для достижения наибольшей эффективности
рабочего процесса, которая характеризуется коэффициентом камеры ϕк.
Данное издание включает две лабораторные работы, отражающие этапы создания РДМТ — сочетание математического моделирования рабочих процессов с их опытной проверкой и сравнительным анализом полученных данных. Лабораторная работа
№ 1 состоит в численном моделировании рабочего процесса в КС
РДМТ на газообразных компонентах кислород + метан, лабораторная работа № 2 заключается в проведении и обработке результатов
экспериментального исследования рабочего процесса в КС РДМТ
и сравнительном анализе результатов численного моделирования
и опытных данных.

РАБОТА № 1. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ РДМТ
НА ГАЗООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА
КИСЛОРОД + МЕТАН И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
НА КОЭФФИЦИЕНТ РАСХОДНОГО КОМПЛЕКСА

1.1. Цель и задачи лабораторной работы

Цель работы — освоение студентами методики расчета характеристик рабочего процесса в камере РДМТ, приобретение навыков
решения подобных задач на ПЭВМ, анализ и обобщение полученных результатов.
В процессе выполнения лабораторной работы каждый студент
изучает постановку задачи, метод решения, исходную систему
уравнений, блок-схему программы и ее описание. После этого
студенту выдают дискету с записью программы расчета (на языке Фортран) и задание: провести расчет характеристик рабочего
процесса в камере РДМТ для определенных исходных данных.
Студент вводит в программу исходные данные своего варианта и
проводит расчет.
После выполнения расчетов каждый студент, используя свои
результаты и данные, полученные другими студентами, строит по
указанию преподавателя обобщающие зависимости коэффициента
расходного комплекса от влияющих факторов.
После построения зависимостей проводится анализ полученных результатов и оформляется отчет по лабораторной работе.
В отчет должны входить:
1) исходная система уравнений и основные допущения;
2) блок-схема программы и описание расчетного метода;
3) распечатка результатов расчета;

5

4) графические обобщающие зависимости;
5) анализ полученных результатов.
Данная лабораторная работа может быть выполнена в режиме
дистанционного обучения студентов через локальные или глобальные компьютерные сети.

1.2. Методика расчета распределения параметров
по объему камеры сгорания РДМТ
на газообразных компонентах топлива

1.2.1. Физическая картина рабочего процесса в камере
сгорания

Конструкция исследуемой экспериментальной камеры РДМТ
[2] представлена на рис. 1. К особенностям камеры относится автономное внешнее охлаждение жидким теплоносителем, поступающим в оребренный тракт. Этот тракт образован внутренней
оболочкой 1 и наружной оболочкой 2. В качестве охлаждающего
теплоносителя при проведении экспериментов используется вода.
Окислитель (газообразный кислород) поступает в КС через отверстия А, Б и кольцевую щель В. Отверстия А выполнены в корпусе
смесительной головки 4, а отверстия Б и кольцевая щель В — в
корпусе форкамеры 3. Горючее (газообразный метан) подается в
форкамеру с закруткой через три винтовых паза, расположенных
между корпусом смесительной головки 4 и корпусом 6. Компоненты топлива воспламеняются с помощью свечи 7 (электроискровой
или электроэрозионной), которая обдувается малым расходом кислорода, поступающим из полости 5 через отверстие Д.
Такое конструктивное решение обеспечивает зонную подачу компонентов топлива, характеризуется наличием специальной
форкамеры для образования зоны смеси с избыточным содержанием одного из компонентов топлива, в нашем случае горючего,
что по данным ряда авторов является особенно эффективным при
использовании газообразных компонентов топлива [3].
На рис. 2 представлена расчетная схема рабочего процесса в
рассматриваемой КС РДМТ. Кислород продувки свечи — меньшая
часть расхода окислителя — и горючее поступают через отверстие
В и щель Б соответственно в первую зону КС (форкамеру), после
которой имеет место ступенчатое увеличение диаметра проточной

6