Актуальность: Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью повышения эффективности ЖРД и совершенствования способов преобразования тепловой энергии рабочего тела в кинетическую энергию реактивного потока газа.

Введение

Сопло Лаваля стало стандартом двигателестроения из-за простоты конструкции и надежности. Однако у сопла Лаваля есть существенный недостаток: оно работает на расчетном режиме лишь на одной высоте. При изменении высоты и окружающего давления двигатель с соплом Лаваля начинает работать на нерасчетных режимах, теряя свою эффективность.

Штыревое сопло имеет кольцевую форму критического сечения и использует внешнюю границу атмосферы как часть соплового контура. Это обеспечивает саморегулирование сопла — способность адаптироваться к изменению внешнего давления без подвижных механизмов. Благодаря этому штыревое сопло способно поддерживать высокую эффективность в широком диапазоне высот. Необходимо численно оценить эффективность штыревого сопла в сравнении с соплом Лаваля при равных входных параметрах.

Основная часть

Для расчета и сравнения параметров были взяты профили конического сопла Лаваля (рисунок 1) и аналогичного штыревого сопла (рисунок 2).

Таблица 1

Характеристики экспериментального ЖРД

Рис. 1. Профиль конического сопла ЖРД

Рис. 2. Профиль штыревого сопла ЖРД

Расчет течения реактивной струи был проведен в программном комплексе ANSYS Fluent. Во входное сечение в обоих случаях были наложены идентичные граничные условия:

Были получены картины распределения давления, температуры и скорости истечения газа, а также расчетные значений тяги и удельного импульса. Результаты расчета представлены на рисунках 3–8 и в таблице 2.

Таблица 2

Результаты расчета характеристик истечения газа в соплах

Из результатов расчета видно, что штыревое сопло более эффективно. При идентичных входных параметрах потока тяга от реакции истекающего газа у штыревого сопла почти в 2 раза больше. Таким образом, штыревые сопла имеют большой выигрыш по тяге, однако такие сопла имеют ряд недостатков: высокая стоимость и сложность производства.

Главным выводом является то, что при проектировании ракет по принципу минимума массы следует рассмотреть нестандартные варианты исполнения двигательных установок, а именно кольцевые и штыревые сопла.

Рис. 3. Распределение давлений в сопле Лаваля

Рис. 4. Распределение давлений в штыревом сопле

Рис. 5. Распределение температур в сопле Лаваля

Рис. 6. Распределение температур в штыревом сопле

Рис. 7. Распределение скоростей истечения в сопле Лаваля

Рис. 8. Распределение скоростей в штыревом сопле

Литература:

1. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей: учебник для вузов: в 2 кн. / Васильев А. П., Кудрявцев В. М. [и др.]; ред. Кудрявцев В. М. — 4-е изд.,т перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1993. — 368 с.
2. Компьютерное моделирование типовых гидравлических и газодинамических процессов двигателей и энергетических установок в ANSYS Fluent: учеб. пособие / Л. С. Шаблий, А. В. Кривцов, Д. А. Колмакова. — Самара: Изд-во Самар. Ун-та, 2017. — 108 с.: ил.
3. Основы проектирования транспортных космических систем: учеб. пособие / Мухамедов Л. П. — 2-е изд., испр. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 265 с.: рис., табл.