Ферменный отсек как выемка со стенками одинаковой высоты

Применение в компоновочных схемах ЛА негерметичных ферменных межступенных отсеков оправдано с точки зрения экономии веса конструкции. Однако такие конструкторские решения требуют тщательного расчета теплового нагружения в процессе полета. Как правило, межступенные отсеки соединяют баки предыдущей ступени с двигательным отсеком следующей ступени.

В случае применения в компоновке ЛА ферменных межступенных или межбаковых отсеков, без изломов образующей и без боковых блоков вблизи, течение внутри ферменного отсека хорошо описывается известным в литературе течением в выемке. На рисунке 2.3.1 изображена типовая схема такого течения. В случае типовых компоновок для ферменных отсеков соотношение длины выемки L к радиусу ЛА D/2 обычно близко к 1 или чуть более 1. В качестве ее особенности следует отметить наличие разделяющей линии тока, как подробно описано в [1]. Течение, расположенное ниже разделяющей линии тока, формирует параметры теплообмена в ферменном отсеке. В данном разделе рассматривается случай, когда толщина пограничного слоя на порядок меньше длины ферменного отсека. Следует рассмотреть процесс разворота потока в выемку и определить положение разделяющей линии тока.

Y

V_∞

𝛃

V_РЛТ/V_∞=0,4 R

Н

L

Рис. 2.3.1. Схема течения в ферменном отсеке

Как показано на рисунке 2.3.1, расстояние от верхнего края задней стенки ферменного отсека до точки растекания h = L∙tgβ

Согласно [6], угол β в радианах:

β = (1- Cr²)∙(0,033+0,0069Cr²) (9)

где число Крокко Cr определяется формулой

(10)

Участок задней стенки ферменного отсека вблизи точки натекания разделяющей линии тока является зоной повышенного теплообмена вследствие большого давления, соответствующего давлению за прямым скачком, и максимальной по выемке температуры торможения.

Как показали экспериментальные исследования, при наличии пограничного слоя конечной толщины перед точкой отрыва, относительная скорость на разделяющей линии тока возрастает по длине выемки и вблизи задней стенки достигает значения 0,4 [6].

=0,4 (11)

Для того чтобы провести осреднение температуры торможения потока, затекающего в ферменный отсек, нужно определить высоту r, на которой скорость составляет 0,4 от скорости внешнего невозмущенного потока для турбулентного и ламинарного течения и вычислить среднюю температуру на высоте пограничного слоя от 0 до высоты r:

(12)

Статическая температура Т_R на разделяющей линии тока, которая соответствует статической температуре на высоте r в пограничном слое перед ферменном отсеком

(13)

Скорость звука на разделяющей линии тока, рассчитана по статической температуре Т_R на разделяющей линии тока

(14)

Для того чтобы рассчитать давление на линии растекания следует определить число Маха на разделяющей линии тока M_R.

(15)

Число Маха на разделяющей линии тока примерно в 2,5 раза меньше числа Маха в набегающем потоке.

Давление в зоне действия разделяющей линии тока P_R будет равно давлению за прямым скачком при числах Маха M_R, а именно:

(16)

Где γ=1.4 показатель адиабаты воздуха.

Несмотря на то, что число Маха на разделяющей линии тока меньше, чем число Маха внешнего потока, давление в точке растекания R в несколько больше давления над корпусом ЛА в невозмущенном потоке Р_∞.

2.4. Особенности теплообмена в ферменных отсеках в компоновках с боковыми блоками -выемка с завышенной задней стенкой (h≤D/6).

Иногда применение ферменного отсека диктуется общей концепцией метода разделения ступеней, например, когда разделение ступеней происходит по «горячей» схеме, когда используется тяга маршевого двигателя верхней ступени, и не требуется дополнительных средств разделения. путем. Все ферменные отсеки, установленные как на верхних или на нижних ступенях ЛА, вносят в картину обтекания ЛА в процессе его подъема в атмосфере свои общие особенности.

В случае применения в компоновке ЛА ферменных межступенных или межбаковых отсеков характер течения и параметры потока на поверхности фермы и внутри ферменных отсеков существенно зависят от того, имеются ли различные особенности внешнего обвода ЛА как до, так и после ферменного отсека. Нередки случаи компоновки ЛА, включающие как боковые блоки первой ступени, так и имеющие ферменный отсек, связывающий первую и вторую ступень. В случае ферменного отсека с боковыми блоками мы имеем дело не просто с выемкой в компоновке, но и с влиянием боковых блоков на картину течения и его характеристики. Наличие открытого ферменного отсека потребует дополнительных расчетов тепловых потоков к конструктивным элементам, расположенным внутри межступенного отсека, как аэродинамических тепловых потоков на участке полета первой ступени, так и газодинамических тепловых потоков при включении и работе маршевого двигателя. В данном разделе рассмотрим аэродинамический теплообмен в ферменном отсеке.

Если бы отсек был закрыт обечайкой, то схема течения перед боковыми блоками ЛА была бы отчасти похожа на представленную на рисунке 2.2.1. Но наличие проницаемой ферменной конструкции центрального блока ЛА вызывает проваливание части вихревого течения внутрь ферменного отсека. Как показали модельные испытания, наличие ферменной проницаемой стенки мало влияет на структуру скачков уплотнения. Не исключено, что вихревое течение между ножками l-скачка будет охватывать и часть ферменного отсека.

Конструктивные решения, сопровождающиеся применением нескольких боковых блоков, укрепленных на центральном блоке, очень распространены в производстве ЛА. При прохождении плотных слоев атмосферы до высот менее 120 км боковые блоки в зависимости от их диаметра и формы носовых обтекателей приводят к возникновению различной формы и интенсивности пространственных ударных волн. Сложные системы криволинейных скачков уплотнения являются причиной появления на поверхности ЛА участков повышенного теплообмена, в которых тепловые потоки в несколько раз превосходят тепловые потоки при невозмущенном обтекании.

Если диаметр боковых блоков невелик, то размер и интенсивность местных пространственных ударных волн, возникающих перед боковыми блоками, также невелики. Пересечение ударных волн от соседних боковых блоков между боковыми блоками и их взаимодействие с поверхностью центрального блока происходит малоинтенсивной частью пространственных ударных волн, которая не вызовет существенных изменений параметров воздушного течения. На размер зоны отрыва пограничного слоя, вызываемой появлением пространственных скачков уплотнения перед боковыми блоками, и на параметры вихревого течения в этой отрывной зоне влияют особенности компоновки носовых обтекателей боковых блоков. Чем протяженнее участок носка, перпендикулярный набегающему потоку, тем больше прямолинейный участок пространственной ударной волны. Прямая часть ударной волны (или скачка уплотнения) взаимодействует с косым скачком уплотнения, который образуется на разделении внешнего невозмущенного потока и вихревого течения в отрывной зоне (см. подробности в курсе лекций «Перспективные методики расчета средств выведения» [1], [2]). При протяженной прямолинейной части ударной волны перед боковым блоком, возникает сложная комбинация косых скачков между ударной волной и носком бокового блока, приводящая к появлению высоконапорной струи воздуха с большим давлением и высокой температурой. Именно интенсивность этой высоконапорной струи и является причиной колоссального увеличения тепловых потоков на конструкции вблизи носка бокового блока и на его поверхности.

Таким образом, во избежание высоких тепловых потоков необходимо свести на нет прямолинейную часть носка бокового блока. Наилучшим примером удачного конструктивного решения является компоновка, в которой носки боковых блоков конические, прижатые к центральному блоку и имеют прямолинейную часть, малой высотой, которая примыкает к поверхности центрального блока и утопает внутри пограничного слоя на протяжении значительного участка траектории. Пограничный слой уменьшает протяженность прямой части ударной волны, а та часть прямолинейного скачка, которая выступает над пограничным слоем, оказывается недостаточной для возникновения многократных переотраженных от носка ударных волн, и высоконапорная струйка течения не формируется. Однако это не всегда возможно. Речь в данном подразделе пойдет о компоновках, у которых точка растекания R расположена на высоте h<D/6, где D диаметр центрального блока. В этом случае, как показывает летный эксперимент, есть возможность классифицировать такие компоновки как выемку с завышенной задней стенкой.

Рис. 2.4.1. Схема течения в ферменном отсеке с прижатыми боковыми блоками

Рис. 2.4.2. Схема скачков уплотнения в ферменном отсеке со скругленными боковыми блоками малого диаметра.

Следует ввести дополнительную классификацию внутри данного вида излома компоновки- ферменного отсека в компоновках с боковыми блоками:

а) ферменного отсека компоновки с прижатыми боковыми блоками;

б) ферменного отсека компоновки со скругленными боковыми блоками малого диаметра.

На рисунке 2.4.1 приведена схема обтекания компоновки с ферменным отсеком и ферменного отсека компоновки с прижатыми боковыми блоками.

На рисунке 2.4.2 приведена фотография течения и схема около ферменного отсека компоновки со скругленными боковыми блоками малого диаметра.

На рисунке 2.4.3 приведены результаты измерений давления внутри ферменного отсека компоновки с прижатыми боковыми блоками в сравнении с давлением, рассчитанным по формулам для плато, расположенного между ножками l-скачка. Измерения выполнены по оси и на стрежнях фермы. Сравнение этих данных показывает, что для оценок давления около передней стенки, ферменного отсека можно пользоваться формулой для расчета давления на плато.

Данные по измерению давления на задней стенке отсутствуют для обоих подвидов. Можно предположить, что это давление на задней стенке примерно в 1/0.528 раз больше давления на плато.

Для ферменного отсека со скругленными боковыми блоками малого диаметра уровень максимальной оценкой давления на задней стенке можно считать давление за двумя ножками l-скачка (см. раздел 2.2).Это более высокие значения давлений, чем для предыдущего подвида компоновки.

Рис. 2.4.3. Давление в ферменном отсеке с прижатыми боковыми блоками

Глава 3. Влияние пограничного слоя на теплообмен в течениях на компоновках с различными изломами образующей.

Дата добавления: 2014-01-07