Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ способов и устройств управления параметрами твердотопливных энергетических установок 9
1.1. Общая характеристика свойств и параметров объекта управления 9
1.2. Способы непрерывного управления массовым расходом топлива 16
1.3. Способы организации многократного включения энергоустановок 25
1.4. Методы подавления резонансного горения твёрдых топлив 27
1.5. Обобщённая схема построения управляемых твердотопливных энергоустановок и постановка задачи исследований 30
Выводы по первой главе 31
ГЛАВА 2. Разработка электротермических методов регулирования внутрикамерных процессов в твердотопливных энергетических установках 33
2.1. Разработка и исследование электротермического метода регулирования скорости горения твёрдых топлив 33
2.2. Разработка и анализ вариантов компоновки электродов как элементов систем управления в твердотопливных зарядах 40
2.3. Метод подавления резонансного горения твёрдых топлив и его анализ 45
2.4. Разработка метода многократного включения энергетической установки 57
2.5. Модификация конструкции твердотопливных зарядов в объекте управления 65
2.5.1. Разработка конструкций зарядов твёрдого топлива с плёночной структурой 70
2.5.2. Электрические характеристики плёночных изделий 75
Выводы по второй главе 79
ГЛАВА 3. Разработка микророцессорного комплекса и экспериментальные исследования объекта управления .82
3.1. Разработка микропроцессорного комплекса для исследования процессов горения твёрдых топлив 82
3.1.1. Устройство измерения скорости горения твёрдых топлив 86
3.1.2. Алгоритмы программного обеспечения микропроцессорного комплекса 89
3.1.3. Методики проведения и обработки результатов экспериментов 91
3.2. Исследования электропроводности расплава компонента топлива 99
3.3. Экспериментальные исследования процессов горения твёрдых топлив при атмосферном давлении 104
3.4. Экспериментальные исследования процессов горения твёрдых топлив под давлением 1-6 МПа 110
Выводы по третьей главе 125
ГЛАВА 4. Разработка устройств управления твердотопливной энергетической установкой 127
4.1. Построение функциональной схемы комбинированного регулятора внутрикамерных процессов 127
4.2. Разработка и исследование математической модели внутрикамерных процессов в объекте управления 132
4.2.1. Структурная схема устройства регулирования расхода топлива 136
4.2.2. Моделирование работы устройства регулирования расхода топлива... 139
4.3. Алгоритмы программного обеспечения устройства управления энергоустановкой 141
Выводы по четвёртой главе 143
Заключение 145
Список литературы 147
- Обобщённая схема построения управляемых твердотопливных энергоустановок и постановка задачи исследований
- Разработка и анализ вариантов компоновки электродов как элементов систем управления в твердотопливных зарядах
- Экспериментальные исследования процессов горения твёрдых топлив при атмосферном давлении
- Разработка и исследование математической модели внутрикамерных процессов в объекте управления
Введение к работе
Поисковые и опытно-конструкторские работы по исследованию и созданию управляемых энергетических установок на твёрдом топливе проводятся во многих странах. Разработка таких двигателей и газогенерирующих установок связана для исследователей и конструкторов с нахождением комплексных решений по ряду принципиально сложных физических и технологических задач, только в последние десятилетия (в России - в 70-х годах), позволивших утвердительно ответить на саму возможность их производства и успешно реализовать такие проекты различного назначения. Патентная активность и открытые научные публикации позволяют в основном косвенно судить о технологическом уровне современных разработок в данной научно-технической области. Отсутствие информационного избытка об экспериментальных испытаниях и серийном производстве таких изделий, вероятно, связано с их первоначальной ориентацией на решение специальных задач в технике военного назначения. Однако, в нашей стране за последние десять лет, появились монографии [1,2], подробно отражающие теорию, проблематику, различные решения и экспериментальные достижения российских научно-исследовательских коллективов в этой области. При этом в качестве газогенерирующих устройств возможно их. применение в различных космических, наземных и морских энергоустановках (МГД-генераторах, газотурбинных приводах глубоководных аппаратов и др.).
Управляемыми ЭУТТ являются твердотопливные двигатели или газогенераторы с замкнутыми системами управления внутридвигательными параметрами, способными обеспечить в расчётном диапазоне требуемую величину вектора тяги или массовый расход продуктов сгорания. Это достигается, по сравнению с неуправляемыми РДТТ [3,4], повышенным уровнем конструктивной сложности и, как правило, снижением энергомассовых характеристик. Однако, в обоснованных случаях, возможности успешного решения различных задач с их помощью многократно возрастают или без их применения другими способами невозможно.
В связи с этим, одной из важных научно-технических проблем в данной
области являются определённые ограничения на энергетику применяемых твёрдых топлив, внутрикамерные температуры и состав продуктов сгорания. Действующие способы непрерывного управления расходными или тяговыми характеристиками ЭУТТ имеют ограничения по рабочим температурам в камере до 2000 К и поэтому используют, как правило, не металлизированные топлива с пониженной энергетикой. Современные неуправляемые РДТТ с высокой надёжностью работают при температурах газовой фазы продуктов сгорания свыше 3000 К, соответственно развивают существенно больший удельный импульс и имеют превосходящие энергомассовые характеристики [1,5,6]. Поэтому актуальным направлением развития ЭУТТ является поиск способов непрерывного управления их внутренней баллистикой и конструктивных схем, допускающих использование высокоэнергетических топливных составов без ограничений по времени работы [1]. При этом не менее сложной задачей является реализация режимов многоразового включения (повторно-кратковременных режимов работы) по аналогии с возможностями ЖРД [7]. Следующей группой задач можно назвать решение вопросов обеспечения требуемых динамических характеристик и устойчивости работы ЭУТТ на различных режимах, в частности поиск новых методов предотвращения или подавления резонансного горения твердотопливных зарядов. Аномальные внутрикамерные акустические эффекты, несмотря на редкость их возникновения, способны за короткий промежуток времени нарушить работоспособность системы управления и привести к полному отказу всего изделия [8].
Целью данной работы является разработка новых методов и устройств управления твердотопливными энергетическими установками с воздействием на внутрикамерные процессы с помощью электрического тока для проектирования систем автоматического управления, не имеющих термо- и газодинамических ограничений по энергетике применяемых топлив, составу продуктов сгорания и времени работы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: исследовать процессы горения твёрдых топлив воздействием электрического тока
7 для управления массовым расходом продуктов сгорания энергоустановок; разработать метод управления зажиганием твёрдого топлива под воздействием электрического тока для организации многократного включения ЭУТТ; разработать метод подавления резонансных внутрикамерных процессов горения твёрдых топлив; разработать микропроцессорный комплекс для исследования параметров объекта управления в реальном режиме времени с целью построения математической модели объекта.
В первой главе диссертации выполнен сравнительный анализ различных физических способов и технических систем непрерывного управления внутри-камерными процессами в ЭУТТ. На основании открытых литературных источников рассмотрены общие характеристики процессов в объекте управления, известные способы регулирования массового расхода продуктов сгорания (газодинамические, акустические, метод теплового ножа и др.), методы организации многократного включения энергоустановок и подавления резонансного горения твёрдых топлив. В результате проведённого анализа показаны их известные достоинства и недостатки, сформулированы требования к устройствам автоматического управления ЭУТТ и поставлены задачи исследования.
Во второй главе сформулированы и обоснованы новые теоретические принципы и варианты решения задач управления внутрикамерными процессами энергоустановок для регулирования массового расхода топлива, контроля и подавления акустических резонансов, организации многократного включения ЭУТТ, основанные на электротермическом воздействии электрического тока на поверхность горения твёрдого топлива.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований электрических свойств модельных энергетических конденсированных систем и электротермических эффектов форсирования скорости горения топлив с варьируемым составом. Для этого разработаны специальный микропроцессорный комплекс, программное обеспечение, методики проведения экспериментов и конструкции образцов модельных зарядов. Полученные результаты использовались при построении математической модели объекта управления.
В четвёртой главе на основании предложенных решений (глава 2) и результатов экспериментов (глава 3) выполнен синтез комбинированной системы автоматического управления ЭУТТ по внутридвигательным параметрам, программно реализующей: регулирование массового расхода продуктов сгорания; контроль и подавление возможных резонансных внутрикамерных процессов; управляемый запуск и режимы многократного включения.
Научная новизна и практическая ценность результатов работы заключается в исследовании и разработке способов и устройств управления параметрами твердотопливных энергоустановок с электротермическим воздействием на внутрикамерные процессы горения ЭКС. При этом, несмотря на принципиальное отсутствие термодинамических ограничений, перспективность предложенных технических решений будет определяться, в первую очередь, удельными энергозатратами на реализацию различных циклограмм работы систем автоматического управления в ЭУТТ конкретного назначения.
Практическое использование результатов работы направлено на дальнейшее совершенствование тактико-технических и эксплуатационных характеристик различных твердотопливных энергоустановок и ориентировано на решение следующих задач: регулирование массового расхода продуктов сгорания газогенерирующих или двигательных установок малой тяги (до 1 кН); управляемые зажигание, останов и реализация повторно-кратковременных режимов работы ЭУТТ, с паузами в выключенном состоянии порядка 10 с; подавление неустойчивых и колебательных режимов горения ЭКС в примерном диапазоне 100 Гц -100 кГц; компенсация технологических разбросов баллистических характеристик твёрдых топлив и случайных возмущений в ЭУТТ.
Предложенные и исследуемые методы решения перечисленных задач непосредственно связаны с разработкой новых физических способов непрерывного управления процессами горения твёрдых топлив и созданием на их основе элементов и устройств систем автоматического управления твердотопливными энергетическими установками.
Обобщённая схема построения управляемых твердотопливных энергоустановок и постановка задачи исследований
На основании проведённого анализа следует, что актуальным направлением научно-исследовательских работ в области разработки управляемых ЭУТТ является поиск методов построения и устройств систем автоматического управления параметрами твердотопливных энергоустановок (в частности - исполнительных устройств), не имеющих термо- и газодинамических ограничений по внутрикамерным процессам, энергетике применяемых топлив, составу продуктов сгорания и времени работы изделий.
Обобщённая блок-схема системы автоматического управления внутрика-мерными процессами в ЭУТТ представлена на рис. 1. Реализовать все функциональные возможности данной САУ в полном объёме весьма сложно и её состав определяется в каждом случае конкретной областью применения и назначением энергоустановки. Например, в некоторых случаях не требуется многократное включение или регулирование тяги в широком диапазоне (порядка 100%), а только компенсация технологического (±3 %) и температурного (±10...20 %) разброса выходных параметров ЭУТТ. Исполнительные устройства регуляторов внутрикамерных процессов являются, как правило, наиболее проблемными элементами системы управления ЭУТТ, так как должны сохранять работоспособность в сложных термодинамических условиях камер сгорания.
Для управления массовым расходом топлива или силы тяги, организации повторно-кратковременных режимов работы ЭУТТ и подавления внутри-камерных резонансов в диссертации предложены и исследованы новые методы, основанные на воздействии электрического тока на процессы горения твёрдого топлива в камере, с реализацией требуемых функций соответствующими устройствах управления (2, 4, 5 на рис. 1.16) с необходимыми исполнительными устройствами и датчиками в обратных связях.
Для достижения требуемых результатов в данной работе необходимо решить следующие задачи: - исследовать процессы горения твёрдых топлив под воздействием электрического тока для управления массовым расходом продуктов сгорания энергоустановок; - разработать метод управления зажиганием ЭКС под воздействием электрического тока для организации многократного включения ЭУТТ; - разработать метод подавления резонансных внутрикамерных процессов горения твёрдых топлив; - разработать микропроцессорный комплекс для исследования параметров объекта управления в реальном режиме времени с целью построения математической модели объекта. Полученные результаты должны позволить сделать объективные выводы о перспективности продолжения исследований и опытно-конструкторских работ в данном направлении. 1. Управляемые твердотопливные энергетические установки представляют собой функционально сложный физико-химический объект, существующий ограниченный интервал времени на протяжении единственного рабочего цикла. Поэтому многие термодинамические параметры такого объекта являются статистическими, получаемые на основании множества экспериментальных испытаний однотипных изделий конкретного назначения [3]. 2. Существует значительное количество различных способов управления внутрикамерными процессами ЭУТТ, в том числе взаимно дополняющие друг друга и дошедшие до промышленной реализации. В этом отношении наиболее отработанными являются методы регулирования на основе "теплового ножа", совместно с центральным телом в критическом сечении сопла. Однако большинство проанализированных выше устройств и систем ЭУТТ работоспособны при пониженных внутрикамерных температурах, соответственно по сравнению с неуправляемыми двигательными энергоустановками развивают меньший удельный импульс и имеют низкие энергомассовые характеристики. В каждом конкретном случае, выбор методов управления ЭУТТ определяется индивидуально и является компромиссом в сложном сочетании технических требований. 3. Поиск и разработка методов управления ЭУТТ, допускающих применение высокоэнергетических твёрдых топлив, является актуальным направлением улучшения их удельных энергетических показателей. Это означает - поиск надёжных способов и конструктивных схем, сохраняющих работоспособность при уровнях внутрикамерных температур и составах продуктов сгорания аналогичных современным маршевым РДТТ, позволяющих обеспечить требуемые диапазоны регулирования выходных параметров энергоустановок с заданными динамическими характеристиками на протяжении времени функционирования энергоустановки.
В условиях стационарного горения на поверхности твёрдого топлива образуется тонкий прогретый слой, в котором протекают сложные многостадийные химические реакции между горючими и окислительными компонентами, результирующая скорость которых, в частности по закону Аррениуса, определяет линейную величину скорости горения топлива в зависимости от температуры поверхности и текущих термодинамических условий в камере сгорания ЭУТТ. Данные физико-химические свойства реакционной зоны будут нами использованы в дальнейшем для построения новых методов и устройств управления внутрикамерными процессами и выходными параметрами твёрдо-топливных энергоустановок без рассмотренных ранее исполнительных устройств регулирования ЭУТТ.
Разработка и анализ вариантов компоновки электродов как элементов систем управления в твердотопливных зарядах
Таким образом, относительное изменение скорости горения топлива (Аи/и), под действием электрического тока или,других внешних или внутренних возмущений, определяется начальной температурой реакционной зоны (положением Ts на графике функции Аррениуса (рис. 1.4) ). Для форсирования скорости горения твёрдого топлива на основе ПХА (без энергодобавок) в 2-5 раз при массовом расходе топлива в ЭУТТ т 0,1кг/с удельные энергозатраты могут составлять JV 10 кДж/кг. Однако, следует учитывать приближённость таких расчётов с физическими переменными входящими в степенную зависимость (2.3): 1. Значения энергии активации Ea/(2-R0) в табл.п. 1.3 приведены для чистых окислителей, а не для смесевых топлив определённых рецептур. 2. Теплоёмкость (ср) физически зависит от свойств и температуры (Ts) реакционной зоны к-фазы топлива. Электротермический способ управления массовым расходом топлива в ЭУТТ может быть реализован в виде системы автоматического регулирования тока или напряжения в твердотопливном заряде с отрицательной обратной связью по давлению газовой фазы в камере сгорания (рис.2.4). При этом, физически присутствует локальная обратная связь, отражаемая баллистической зависимостью скорости горения ЭКС от давления газовой фазы ("положительная" или "отрицательная" ОС - в зависимости от знака ±v - баллистического показателя топлива). Соответственно, в зависимости от задающего воздействия (р0) может быть реализована система стабилизации, программного регулирования расхода топлива (Gr) или следящая система. Для многих практических применений ЭУТТ необходимо управляемое изменение скорости горения ЭКС (массового расхода продуктов сгорания) в несколько раз, и при действующих электрических мощностях в регулируемом объекте порядка 1 кВт, наиболее рациональным является выбор импульсного режима работы системы, точнее, с широтно-импульсной модуляцией напряжения (силы тока) в нагрузке (реакционной зоне ЭКС). Это позволит обеспечить высокую надёжность и максимальный КПД электронного регулятора. Система электротермического регулирования внутридвигательных параметров ЭУТТ предназначена для решения следующих задач: - компенсация технологических разбросов баллистических характери стик ЭКС (2..5%), начальной температуры заряда, разгара критического сечения сопла; - управляемое зажигание и реализация повторно-кратковременных режимов работы в ЭУТТ; - предотвращение резонансных и неустойчивых процессов горения ЭКС; - регулирование массового расхода продуктов сгорания газогенерирую щих или двигательных установок малой тяги. Учитывая принципиальную сложность кинетики внутрикамерных процессов и отсутствие надёжных теоретических методик расчёта скоростей горения различных по составу твёрдых топлив, практические перспективы предлагаемого физического способа воздействия на внутрикамерные процессы возможно определить только по результатам экспериментальных исследований, максимально приближённых к рабочим процессам ЭУТТ. Положительными свойствами, предложенного способа управления являются: относительные простота и надёжность системы управления из-за отсутствия в ней исполнительных устройств, работающих в камере сгорания; работоспособность на протяжении времени функционирования ЭУТТ при любых термо- газодинамических внутрикамерных условиях, без ограничений по энергетике применяемых топлив; отсутствие физических причин для снижения удельного импульса в двигательных установках Подключение внешнего управляемого источника напряжения (или тока) к реакционной зоне твердотопливного заряда многовариантно и выбирается в зависимости от требуемого закона горения. Оптимальный выбор компоновки, формы и количества электродов должен быть направлен на минимизацию результирующего сопротивления зоны проводимости заданной ЭКС при необходимом временном законе её изменения с целью снижения рабочих амплитуд напряжения внешнего источника электропитания системы управления. На примере зарядов с внутренним (цилиндрическим) каналом и с торцевым горением на рис.2.5 показаны несколько предлагаемых вариантов электродных систем с различными технологиями изготовления и электрическими характеристиками. Проанализируем и сравним возможные конструктивные варианты по активному электрическому сопротивлению их реакционных зон. делением заряда; б) схема с радиальным делением заряда; в) винтовая схема (спиральное расположение электродов); г) коаксиальная схема (торцевое горение) Данная схема компоновки электродов, с точки зрения технологии изготовления, является наиболее простой. При открытых в камере сгорания торцах заряда наружные электроды бронируются теплозащитными покрытиями. По мере выгорания внутреннего канала ЭКС периметр контакта электродов с зоной проводимости непрерывно увеличивается и полное сопротивление реакционной зоны ЭКС между электродами снижается. Таким образом, при постоянном напряжении внешнего источника ЭДС сила тока автоматически увеличивается пропорционально диаметру канала и массовому расходу продуктов сгорания (при постоянном давлении Рк). Определённым недостатком является необходимость прокладки электрических шин по боковой поверхности заряда. Электрическое сопротивление одиночной секции между электродами:
Экспериментальные исследования процессов горения твёрдых топлив при атмосферном давлении
В связи с тем, что для электротермического управления скоростью горения твёрдого топлива предлагается использовать электрический ток с широтно-импульсной модуляцией в реакционной зоне, причём с произвольным выбором рабочей частоты, например, в диапазоне 100 Гц-100 кГц, это также может привести к возникновению резонансных процессов. То есть, при некоторых (заранее точно неизвестных) частотах модуляции управляющего тока в реакционной зоне твердотопливного заряда автоматический процесс регулирования расходных характеристик ЭУТТ может сам инициировать аномальные акустические эффекты в камере сгорания. При этом пульсация давления с нарастающей амплитудой в камере сгорания будет совпадать с текущей частотой переменного тока в системе управления.
В других случаях, колебательный процесс развивается на заранее неизвестной частоте связанной с собственными резонансными частотами различных элементов камеры сгорания ЭУТТ.
В первом случае имеется возможность изменить (увеличить или уменьшить) текущую частоту тока в системе на дробно-иррациональную величину, например в v2 раз, и тем самым нарушить условие синфазного отклика скорости горения топлива на пульсирующую акустическую волну, действующую на поверхность горения топлива. При этом одно из условий возникновения резонанса будет нарушено и дальнейшее возрастание амплитуды переменной составляющей давления прекращено.
Во втором случае, т.е. при возникновении собственного резонанса в камере сгорания, также имеется физическая возможность нарушить автоколебательный процесс: компенсировать внешний пульсационный теплоприток в реакционную зону ЭКС путём изменения фазочастотных параметров электрического тока в заряде [38]. В третьем случае пульсацию давления представляется возможным прервать или ограничить по амплитуде путём уменьшения скорости горения топлива, что приведёт к падению среднего внутрикамерного давления и массового расхода топлива. Это может быть оправдано сохранением энергоустановки ценой кратковременного нарушения требуемой циклограммы её работы.
Во всех перечисленных случаях необходимо решить несколько задач: - выбор широкополосного измерительного датчика, работоспособного в термодинамических условиях камеры сгорания; - поиск метода определения параметров резонанса, то есть его частоты и текущей амплитуды; - поиск метода противодействия нарастанию амплитуды резонанса. Постановка задачи: разработать метод определения параметров колеба тельных процессов внутрикамерного давления и функциональную схему соот ветствующего устройства для подавления резонансных режимов горения ЭКС в составе электротермической системы управления расходом топлива ЭУТТ. Возможный частотный диапазон пульсаций - порядка 100 Гц... 100 кГц. Сред нее давление (Рк) в камере сгорания ЭУТТ измеряется штатными датчиками с ограниченной полосой пропускания (р. 100Гц), поэтому необходимо регист рировать только переменную составляющую давления - возмущение ( F(f), где t -время) по частоте и амплитуде. Скорость горения заряда регулируется элек тротермическим способом путём широтно-импульсной модуляции напряжения в реакционной зоне, поэтому в системе уже имеются датчики напряжения и си лы тока. Рабочее напряжение - переменное (биполярное), прямоугольной фор мы с изменяемой скважностью сигнала в периоде. Для контроля акустического фона в газовом объёме камеры сгорания ЭУТТ и построения возможной подсистемы подавления вибрационного горения ЭКС, возникает необходимость в соответствующем широкополосном датчике давления. В качестве чувствительного элемента такого датчика можно предложить использовать также поверхность горения ЭКС. Так как колебательные процессы изменения давления и температуры в газовой фазе вызывают синхронные пульсации температуры поверхности горения, этот фактор должен приводить к модуляции электропроводности реакционной зоны к-фазы топлива в соответствие с температурно-зависимой проводимостью расплава окислителя, что будет показано ниже в п.3.2. Интересно отметить, что отклик на изменение электропроводности реакционной зоны к-фазы будет максимален именно на резонансных частотах, то есть поверхность горения будет максимально реагировать на акустические волны приводящие к изменению её температуры или кинетики реакций. Это означает, что контролируя текущую электропроводность поверхности горения, которая будет подвержена модуляции действующих в камере сгорания волн давления, имеется возможность анализировать и значит контролировать акустический фон горения топлива с целью возникновения и развития опасных амплитуд и частот.
В отличие от обычных датчиков акустических колебаний, использование в качестве "чувствительного элемента" поверхности горения заряда может гарантировать оперативное обнаружение опасных изменений акустического фона по всему объёму камеры и своевременное включение регуляторов подсистемы контроля и подавления резонансов в ЭУТТ. Для этого необходим непрерывный спектральный анализ акустического фона в камере сгорания и разработка соответствующих программных алгоритмов прогнозирования развития акустически опасных ситуаций. Задача анализа амплитудно-частотного спектра может быть решена современными электронными (программно-аппаратными) средствами цифровой обработкой сигнала давления (проводимости к-фазы) с помощью преобразования Фурье.
Таким образом, в качестве датчика F(t) в газовой фазе продуктов сгорания используем поверхность горения ЭКС. Функциональная схема, поясняющая реализацию метода обнаружения колебательных процессов горения твёрдого топлива показана на рис.2.11.
Разработка и исследование математической модели внутрикамерных процессов в объекте управления
Для широкого круга применений ЭУТТ в системах реактивной тяги или в качестве газогенератора возникает задача многократного включения-останова энергоустановки, т.е. организации повторно-кратковременного режима её работы [3,4]. Режимы запуска и останова твердотопливных энергоустановок ситуационно являются наиболее аварийными периодами в циклограммах их работы, так как связаны с нестационарными внутрикамерными процессами горения ЭКС и с согласованной работой специальных устройств и систем. Несмотря на относительную кратковременность этих процессов, сложности по их надёжной реализации возрастают с увеличением массы твёрдого топлива и свободного объёма камер сгорания. Поэтому к воспламенительным устройствам и техническим средствам прерывания (останова) горения ЭКС предъявляются повышенные требования по быстродействию и воспроизводимости выходных характеристик. Если при запуске неуправляемой твердотопливной энергоуста 58 новки важным является минимальное время выхода на расчётный режим с допустимым качеством переходного процесса, а при останове — малый импульс последействия, тогда для управляемой ЭУТТ задание в принципе может быть любым. В связи с этим, электротермическое управление горением ЭКС позволяет использовать дополнительные возможности для обеспечения необходимых переходных процессов при запуске и останове.
Так как электропроводность реакционной зоны к-фазы физически возникает и сохраняется с момента зажигания твердотопливного заряда до его гашения или полного выгорания, то это позволяет возможной системе электротермического регулирования скорости горения ЭКС участвовать в управлении на всём временном интервале функционирования ЭУТТ.
В результате экспериментальных исследований горения смесевых топлив на основе нитрата и перхлората аммония получено устойчивое горение образцов твёрдых топлив (без катализаторов) при атмосферном давлении под действием электрического тока. При этом обнаружен факт гашения пламени и повторного воспламенения зарядов с восстановлением скорости горения при изменениях рабочего напряжения соответственно ниже и выше некоторого критического порога. Повторное зажигание происходило при сохранении реакционной зоны в электропроводном состоянии с последующим увеличением действующей мощности протекающего электрического тока. Эти эффекты по существу могут являться новым вариантом решения сложной задачи обеспечения повторно-кратковременных режимов работы твердотопливных установок путём управления температурой реакционной зоны ЭКС ниже границы устойчивого горения в текущих термодинамических условиях.
На рис.2.15 приведены экспериментальные результаты апробации режимов повторного зажигания твёрдого топлива при атмосферном давлении на основе нитрата аммония и эпоксидной связки (85% НА +15% ЭД20) без применения пиротехнических средств. Использовались заряды ЭКС торцевого горения прямоугольной формы с двумя электродами на противоположных сторо 59 нах корпуса (п.3.1.3), к которым подключён регулируемый источник напряжения.
Горение топлива контролировалось по наличию или отсутствию пламени с помощью инфракрасного фотодиодного датчика с выходным напряжением (/ф) пропорциональным мощности теплового потока из зоны горения. После зажигания внешним ВУ, рабочее напряжение (U) на заряде управляемо снижалось до момента самопроизвольного гашения пламени в газовой фазе, при этом регистрировалась величина силы тока в реакционной зоне топлива (/), которая при постоянном напряжении начинала уменьшаться по мере остывания поверхности горения. При повышении напряжения на заряде реакционная зона, сохранившая электропроводность, под действием протекающего тока снова разогревалась до повторного зажигания и устойчивого горения. По временным зависимостям рис.2.15 видно, что получены две паузы между горением заряда соответственно около 30 и 20 с. Мощность тока для поддержания реакционной зоны ЭКС в расплавленном состоянии, очевидно, зависит от величины её теп 60 лоёмкости, тепловых потерь в непрогретую массу заряда и в свободный объём камеры.
Для сохранения в течение 30 с реакционной зоны к-фазы топлива при атмосферном давлении в состоянии способном к самовоспламенению дейст-вующая мощность электрического тока не превышала 2 Вт/см . Организация пауз между включениями порядка десяти секунд представляется достаточной для многих практических применений.
Подобные результаты получены (в.н.с. кафедры "ТНОВ", к.т.н. Г.Ф. Клякиным) и для ЭКС на основе перхлората аммония, с разницей только в большей амплитуде управляющего напряжения. Перхлорат аммония не имеет фазы плавления, т.е. сублимирует в процессе термического разложения, поэтому его поверхность газификации закономерно имеет повышенное электрическое сопротивление по сравнению с окислителями (NH4NO3), находящимися в реакционной зоне в жидко-вязком состоянии.
Оценка энергозатрат в паузах между зажиганием ЭКС выполнена на основании закона Стефана-Больцмана (рис. 2.16) для теплового излучении абсолютно чёрного тела при следующих допущениях: 1. Конструкция камеры сгорания ЭУТТ представляет собой хорошее приближение к модели абсолютно черного тела: полузамкнутый объём с поверхностью излучения, образованной внутренним каналом твердотопливного заряда. 2. Выключение ЭУТТ происходит в вакууме, то есть после сброса давления в камере сгорания отсутствует конвективный теплообмен с внешней средой.
