Технические
науки/3. Отраслевое машиностроение
Сокол
Г.И., Мироненко Е.С.
Днепропетровский
национальный университет, Украина
Экологические аспекты в изучении шумов
пульсирующих двигателей
Экологию и космос можно определить как
совокупность научных и практических проблем, связанных с влиянием на окружающую
среду ракетно-космической техники при ее эксплуатации. При этом требуется
решение многих задач по безопасности и экологичности.
Эксплуатация
ракетно-космической техники приводит к воздействию на природную среду в
масштабах как экосферы Земли так и Вселенной [1]. Космическая экология ставит ряд проблем,
одной из которых является необходимость отчуждения районов трасс взлета ракет в
связи с инфразвуковой опасностью. Негативное влияние техногенных
воздействий на окружающую среду происходит уже на этапе выведения
космических аппаратов на орбиту.
Колебания
в развитии ракетно-космической техники всегда занимали значительное место, так
как связаны с проблемой прочности и безопасности в эксплуатации ракетоносителя.
Генеральные конструкторы КБ "Южное" академики М.К. Янгель, В.Ф.
Уткин, С.М. Конюхов уделяли особое внимание переходным процессам, когда
включается двигательная установка и возникают мощные вибрации, которые
распространяются вдоль корпуса ракеты [2].
Актуальным при запусках ракет становится
расчет характеристик звукового поля, возникающего в среде при работе
двигателей, (амплитуд и частот спектра шума). Он необходим для выдачи
рекомендаций с целью уменьшения акустического воздействия на организмы
космонавтов и обслуживающего персонала космодромов.
Ранее
было получено, что изменение звукового давления в акустическом поле
пульсирующих двигательных установок имеет ярко выраженную характеристику направленности.
Это обусловлено тем, что выражение для потенциала, описывающее акустическое
поле, записано с учетом представлений Лэмба.
Нами
было проведено моделирование
возникновения акустического поля
окружающей среде при работе ДУ, если изменение давление в камере
сгорания двигателя носит характер переходного процесса. Разработана методика
расчета шума ДУ с ЖРД. В ряде научно-исследовательских работ
показано , что при работе акустических излучателей в импульсном режиме наибольшую величину в общем спектре шума
имеют гармоники низких частот.
Рис.1
Импульсный режим в изменении тяги ДУ ракеты- носителя в первые секунды
работы двигателя
Исследование
данной проблемы излучения инфразвуковых волн при работе двигательной установки (ДУ) летательных аппаратов во время первых
секунд работы начато не случайно. В
процессе работы ракетных двигателей в переходном режиме (то есть в первые
секунды запуска двигательной установки (ДУ)), возникает периодическое
возмущение среды в результате действия на нее потоков газов сгоревших
компонентов топлива. Это ведет к возникновению звукового поля. Звуковые волны,
возбужденные вблизи сопел, распространяются далее в атмосфере. Рассмотрев
схему действующих на среду сил, можно прийти к выводу, что двигатель действует
на среду с силой равной по величине и противоположно направленной силе тяги. То
есть возмущения в среде вызваны силой, противодействующей силе тяги P(t).Выражение для силы тяги P(t) в зависимости от времени может быть
записано с учетом нестационарного режима работы ДУ.
В лаборатории ПНИЛ САКУ
университета был проведен эксперимент по изучению спектров шумов ДУ.
Пульсирующая камера, работающая на продуктах топливной смеси
"воздух+бензин".
От компрессора в пульсирующую
камеру подавался воздух под давлением
1,8 атм. Давление контролировалось манометром. После воспламенения топливной
смеси и образования продуктов сгорания. Вследствие превышения давления в камере
сгорания Рк давления
окружающей среды Pо,
начиналось истечение продуктов сгорания через сопло в атмосферу. Пульсирующая камера имела форму
цилиндра с внутренним диаметром dk= 70*10-
На основе анализа
полученного выражения для величины гармоник звукового давления в окружающей
воздушной среде можно сделать вывод, что шум ДУ зависит от пары компонентов
топлива, их расхода, коэффициентов соотношения компонентов, качества рабочего
процесса в камере сгорания и ее конструктивных данных, скорости истечения
продуктов сгорания на срезе сопла.
Амплитуда
составляющих спектра шума ДУ сильно зависит от пары компонентов топлива, на
которых работает двигательная установка. Работа имеет перспективный характер для проектирования
космодромов, так как в требованиях к строительству подобных сооружений сейчас
вносится выявление особенности и определение направления исследований
воздействия шумов на основе существующих представлений о генерировании,
распространении и воздействии инфразвукового излучения при запусках
ракет-носителей.
Литература:
1 Сокол,
Г. И., Кириченко С. Ю., Мироненко Е. С.
Влияние на окружающую среду инфразвукового шума от ракетных двигателей при
старте ракетоносителя [Текст] / Г. И. Сокол, С. Ю. Кириченко, Е.
С. Мироненко // Наукові читання «Дніпровська орбіта-2016»,
Дніпропетровськ, 20-22 жовтня 2016: збірник тез. – Дніпро: НЦАОМУ, 2016. – С. 66 – 71.
2 Сокол, Г. И. Моделирование характеристик
акустических полей жидкостных ракетных двигателей на основе представлений Лэмба
[Текст] // Проблемы высокотемпературной техники: сборник научных трудов. – Д.:
Акцент ПП. – 2014. – С. 23 – 30.
3 Присняков В.Ф. Динамика жидкостных ракетных жвигательных установок и систем
питания: Учебное пособие для студентов
авиационных специальностей вузов / В. Ф. Присняков. — М.: Машиностроение, 1983. — 248 с. : ил.