Способы регулирования расхода газогенератора

Оптимальный закон движения катапульты - движение с постоянным ускорением. В этом случае можно получить максимальную скорость на выходе при фиксированном ходе и заданных ограничениях на продольные перегрузки.

Следует отметить, что, в отличие от минометных схем, в катапультах сверхкритический перепад давления между ГГ и трубопроводом обычно имеет место только в течение короткого промежутка времени после запуска.

Для увеличения расхода при горении шашки необходимо, чтобы поверхность горения увеличивалась в процессе работы ГГ. Обычная трубчатая шашка сгорает как по наружному, так и по внутреннему диаметру. Если пренебречь торцевым горением, площадь поверхности горения по мере разгорания остается практически постоянной. Для ее увеличения применяют бронирование трубчатых шашек по наружной поверхности. Бронирование - это нанесение на поверхность пороховых шашек теплозащитных материалов, предотвращающих горение защищаемых поверхностей.

Если забронировать торцы цилиндрической шашки, то площадь поверхности горения при разгорании шашки будет оставаться строго постоянной. Если забронировать шашку по торцам и наружному диаметру, то горение будет происходить только по внутреннему диаметру. По мере разгорания внутренний диаметр, а следовательно, и площадь горения будут увеличиваться. Начальная поверхность горения в этом случае определяется внутреннем диаметром шашки, ее длиной и числом шашек. В некоторых случаях вместо большого числа шашек используют одну шашку- моноблок с большим количеством отверстий. Такая шашка может быть забронирована по наружной поверхности и торцам, но можно применять и небронированные шашки такого типа. Это связано с тем, что при горении шашки с большим количеством отверстий увеличение площади горения в отверстиях происходит значительно быстрее, чем уменьшение площади горения торцов и наружной поверхности шашки. Недостаток шашек-моноблоков связан с образованием в конце работы звездообразных остатков топлива, которые догорают с быстрым уменьшением площади горения и, следовательно, расхода. По мере выгорания эти элементы могут ломаться, попадать через диафрагму ГГ в трубопроводы и в силовой цилиндр. На этой стадии величина расхода газа из ГГ становится нестабильной. После того как давление в камере ГГ падает ниже давления устойчивого горения, горение этих остатков переходит в аномальное, при котором скорость горения резко уменьшается и также становится малостабильной. Одновременно увеличивается образование нагара на поверхностях ГГ и силового цилиндра.

В большинстве зарядов в ГГ используются цилиндрические шашки с бронировкой наружной поверхности или моноблоки, т.е. площадь горения в них увеличивается с увеличением толщины сгоревшего слоя пороха по линейному или близкому закону, что, однако, приводит к нелинейному увеличению расхода. Это связано с тем, что скорость горения твердых порохов возрастает при увеличении давления. Если перепад сверхкритический, то при постоянной площади критического сечения с увеличением расхода увеличивается давление в камере. При докритическом перепаде увеличиваются потери давления между камерой ГГ и силовым цилиндром, что также приводит к росту давления в ГГ, хотя и не столь значительно, как при сверхкритическом перепаде. По этой причине проще обеспечить значительное увеличение расхода при использовании сверхкритического перепада. Однако это будет сопровождаться существенным ростом давления в камере, особенно для ГГ с большим временем работы, у которых для поддержания закона движения, близкого к оптимальному, отношение конечного давления в ГГ к расчетному в силовом цилиндре может достичь 10 и более (т.е. давление в ГГ превысит 100 МПа). Решить эту проблему можно лишь за счет увеличения диаметра цилиндра. В этом случае условия работы системы катапультирования приближаются к условиям минометных систем. Однако при этом теряются специфические преимущества катапультных систем.

В реальных условиях приходится ограничивать величину максимального давления по ряду причин. Некоторые пороха при больших давлениях теряют стабильность характеристик горения. В других случаях максимальное давление ограничивается технологией изготовления ГГ (например, если они выполнены из композиционных материалов). Наконец, использование в ГГ высокого давления может существенно усложнить их конструкцию, увеличить габариты и массу. Поэтому обычно максимальное давление в ГГ не должно превышать 15-20 МПа (в исключительных случаях до 40 МПа) для баллиститных порохов и 15 МПа - для смесевых. В течение основного времени горения перепад давления оказывается докритическим.

На рис. 1.7, а приведен график зависимости газоприхода при горении заряда G от времени t: G0 - оптимальный газоприход, соответствующий равноускоренному движению с постоянным давлением в рабочей камере цилиндра при малом начальном объеме, G - реальный газоприход. На рис. 1.7,6 показано изменение давления в камере ГГ при сверхкритическом режиме (t0 - время выхода ГГ на режим). Кривая 1 иллюстрирует характер падения давления для заряда, состоящего из цилиндрических шашек, бронированных по наружной поверхности, а кривая 2 - для шашки-моноблока при догорании звездообразных остатков.

Рис. 1.7. Типовые законы изменения параметров при работе систем катапультирования: а - газоприход, б - давление в камере газогенератора, в - давление в рабочем цилиндре

На рис. 1.7,в показано изменение давления в силовом цилиндре. Кривая 1 относится к варианту, когда отсутствует ограничение по максимальному давлению в ГГ, кривая 2 - когда такое ограничение имеется и является актуальным (т.е. приводит к необходимости снижения газоприхода по сравнению с требуемым). Момент времени t1 соответствуют окончанию горения топлива и переходу к адиабатическому расширению газов, момент t2 - началу открытия выпускных окон. Заметим, что участок адиабатического расширения может и отсутствовать (т.е. горение может продолжаться практически до момента открытия выпускных окон). Обычно он применяется в крупных ГГ с целью уменьшить массу порохового заряда и снизить давление газов при выпуске. Линия pmax соответствует ограничениям по продольным перегрузкам объекта. Из сравнения кривых 1 и 2 видно, что ограничение по максимальному давлению в ГГ может существенно уменьшить скорость выброса, которая в данном случае практически пропорциональна площади под графиком давления в рабочих цилиндрах.

Для повышения скорости выброса при ограничениях по давлению иногда применяют несколько ГГ, включаемых последовательно, причем начальный расход второго и последующих примерно соответствует конечному расходу предыдущего.

Следует обратить внимание на проблему обеспечения увеличивающегося расхода в ГГ с малым временем работы (менее 0,5 с). Это связано с тем, что для таких генераторов не удается подобрать шашку пороха с большим отношением конечной и начальной поверхности горения (прогрессивностью). Минимальный диаметр отверстия в шашке составляет 3-4 мм. Его уменьшение ухудшает стабильность воспламенения, а также усложняет технологический процесс. Заметим, что отношение длины шашки к ее диаметру также имеет ограничение. Если газам, истекающим из канала шашки в сторону, противоположную от сопла, обеспечена достаточная площадь проходного сечения между стенками камеры ГГ и шашками, длина шашки не должна превышать 40-60 диаметров отверстий в ней (каналов). Если же течение из отверстий происходит только в сторону сопла, относительная длина шашки не должна превышать 30 диаметров отверстий (чаще всего она в этом случае составляет 20 диаметров). Более длинные шашки плохо воспламеняются, а при горении возможна реализация звукового режима течения газа в канале, которая может привести к эрозионному горению с резким увеличением скорости горения и давления в камере.

Если принять начальный диаметр отверстия 4 мм, то при средних скоростях горения пороха 20 мм/с толщина сгоревшего слоя за время работы ГГ (примем его равным 0,2 с) составит 4 мм. Тогда наружный диаметр шашки будет 12 мм, т.е. отношение конечной и начальной площадей горения равно трем. Это приведет к тому, что расход, даже при сверхкритическом перепаде, увеличится только в 5-8 раз (в зависимости от характеристик пороха), что совершенно недостаточно для эффективного разгона объекта. Поэтому скорость выброса окажется недостаточной. При докритическом перепаде давление будет расти медленнее и характеристики будут еще хуже.

Улучшить характеристики ГГ можно, используя нестационарные эффекты, например создавая начальный объем больше необходимого для размещения шашек. Начальная площадь горения выбирается несколько большей, чем необходимо для достижения предельной перегрузки объекта в случае стационарного истечения через критическое сечение. В этом случае, даже при постоянной площади горения, давление в камере ГГ будет расти. При этом повысится расход через критическое сечение, и, если бы скорость горения не зависела от давления, достаточно быстро сравнялся бы с газоприходом, т.е. процесс перешел бы в стационарный. Однако у реальных порохов увеличение давления приводит к увеличению скорости горения, поэтому расход будет увеличиваться даже при постоянной площади горения. В результате стационарный режим может не успеть реализоваться до окончания работы ГГ. Заметим, что при определенных условиях в качестве дополнительного объема можно использовать объем соединительных трубопроводов. Применять этот способ следует с осторожностью, так как незначительные отклонения в характеристиках топлива и начальных условиях (например, в начальной температуре порохового заряда) приведут к существенным разбросам кривой изменения давления. Кроме того, этот способ требует высоких давлений в конце работы ГГ.

Обеспечить близкий к оптимальному закон движения можно при управлении расходом газа, поступающего в силовой цилиндр. Так как управлять горением пороха трудно, управление может осуществляться за счет стравливания избыточного газа мимо силового цилиндра (например, в атмосферу). Это приводит к необходимости применять ГГ с избыточной производительностью. Такие схемы показаны на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Схемы катапультных систем с регулированием: а - с обратной связью, б - без обратной связи

Обычная схема управления (а) включает в себя датчик давления в силовом цилиндре 1, блок управления 2 и исполнительный механизм 3. Основная сложность при создании такой системы - необходимость достаточно мощного исполнительного механизма, обладающего высоким быстродействием (постоянная времени менее 0,01 с). Создание такого механизма, сочетающего высокую надежность в реальных условиях эксплуатации и приемлемую стоимость, связано со значительными сложностями, поэтому в серийных системах эти схемы не используются.

Более простыми являются схемы регулирования без обратной связи. На рис. 1.8,6 приведена схема, в которой избыток газа стравливается через профилированный паз 4, образованный в штоке силового цилиндра. Общий недостаток систем регулирования без обратной связи - чувствительность к отклонениям в характеристиках топлива и в начальных условиях (например, в начальной температуре порохового заряда). Это приводит к существенным разбросам кривой изменения давления (разброс в кинематических параметрах объекта обычно меньше). Кроме того, шток испытывает повышенное тепловое воздействие, что понижает его прочность и может привести к эрозионному износу.

Как было показано выше, одной из основных проблем при создании катапульт, особенно с малым временем работы, является невозможность обеспечить требуемое увеличение газоприхода за счет выбора формы заряда. Поэтому если в ГГ добавить дополнительное сопло, из которого часть газа вытекает в атмосферу или дополнительный ресивер, то, с учетом этого расхода, увеличение газоприхода, которое должен обеспечить заряд в процессе работы катапульты, уменьшится и решить проблему будет проще. В начальные моменты, когда скорость объекта (а значит, и скорость увеличения объема рабочих цилиндров) мала, основная часть расхода будет истекать через это сопло. В такой схеме достаточно просто выбрать режим, исключающий появление начальных всплесков давления. Вместе с тем масса такого ГГ будет заметно больше, и при его размещении на установке необходимо учитывать, что сверхзвуковая струя, истекающая из сопла, может оказать силовое и тепловое воздействие на элементы установки либо потребуется ресивер большого объема.

Если в качестве источников энергии используются баллоны со сжатым газом, то в целях повышения КПД системы используются схемы с докритическим перепадом давления между баллонами и рабочими цилиндрами. Обеспечить требуемый расход можно двумя способами. В первом используются баллоны с большим объемом, причем начальное давление в них соответствует расчетному давлению в цилиндрах (давлению, при котором объект ускоряется с заданным ускорением). Объем баллонов выбирается таким обра-

зом, чтобы к концу работы катапульты давление в них составляло не менее 0,5-0,75 от начального (эта цифра уточняется по результатам расчета скорости объекта на выходе). При этом проходное сечение магистрали, соединяющей баллоны с цилиндрами, должно быть достаточно большим, чтобы не создавать заметного сопротивления, а запорный элемент должен достаточно быстро открываться.

В тех случаях, когда использование баллонов с завышенным объемом нежелательно, используются баллоны, начальное давление в которых в 1,5-2,5 раза выше расчетного в силовом цилиндре. В этом случае между баллонами и силовыми цилиндрами устанавливается дроссель переменного сечения, работающий от автономного источника, который обеспечивает расчетное изменение расхода с учетом падения давления в баллонах или по времени. Следует отметить, что использование баллонов, изготовленных из современных композиционных материалов, позволяет существенно снизить их суммарный вес, что повышает конкурентоспособность схемы с баллонами большого объема.

2.