кустические процессы при старте

Акустические нагрузки являются основным источником вибраций на борту ракеты. Для первых ступеней ракет они, как правило, носят максимальный характер по сравнению с акустическими нагрузками на других участках траектории. Основной источник вибраций ракеты при старте обусловлен звуком, создаваемым струями двигательной установки, взаимодействующими с газоотражателем и стартовой площадкой. Этот звук имеет максимум направленности по нормали к поверхности взаимодействия и с подъемом ракеты резко падает.

Во многих случаях воздействие акустических нагрузок высоких уровней, особенно на приборы и органы управления, невозможно прогнозировать и может быть выявлено только в ходе натурной отработки ракеты. Однако экспертиза уровней акустических нагрузок, ожидаемых на ракете при старте, обязательно проводилась для большинства отечественных носителей в ходе проектных работ. В последующем эти оценки использовались при отработке приборов на акустических стендах.

Так, надежное прогнозирование акустических нагрузок на ракету-носитель "Энергия" и на орбитальный корабль "Буран" в ходе экспериментов на лабораторной базе ЦНИИМАШ и крупномасштабных испытаний на газодинамических стендах НИИХСМ, а затем испытания отсеков и агрегатов ракеты-носителя и орбитального корабля на вибрационных и акустических стендах, во многом способствовали успешному уникальному пуску в автоматическом режиме комплекса "Энергия – Буран".

Для радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры, расположенной на борту ракеты-носителя или на стартовом сооружении, опасным считается уровень акустического шума, начиная со . Если на аппаратуру предполагается воздействие до и выше, то испытания на акустическую устойчивость считаются обязательными. Максимальное воздействие по действующим ГОСТ на радиоэлектронную аппаратуру составляет .

Эксперименты показали, что главная причина отказов радиоэлектронной аппаратуры при действии акустического шума – это возбуждение в конструкции аппаратуры недопустимо больших вибраций. Большинство радиоэлементов может нормально функционировать, если на плате, где они установлены, уровень вибраций не превышает . Отдельные элементы (резисторы) допускают .

Однако есть целый ряд элементов (типа кварцевых генераторов, реле, клистронов и т.п.), которые отказывают при уровне вибраций, не превышающем . Уровень вибраций при действии акустического шума, например, , даже на небольшой плате достигает сотен ( и более). Это особенно опасно при одновременном воздействии вибраций и шума, так как частотные диапазоны акустического и вибрационного внешних воздействий на аппаратуру перекрываются: вибрации – от до , акустический шум – от до .

При этом экспериментально установлено, что бегущая волна опаснее для радиоэлектронной аппаратуры, чем диффузный шум, хотя и при диффузном шуме уровень вибраций, возбуждаемый им в радиоэлектронной аппаратуре, в раза больше допустимого.

Кроме того, в плоских элементах конструкций радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры при широкополосном воздействии акустического шума могут возбуждаться и частоты волнового совпадения, что еще более ухудшает виброрежим работы радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры.

Известно, что для защиты радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры от внешней вибрации применяют приборные амортизаторы различных конструкций. Однако, акустические шумы возбуждают конструкцию радиоэлектронной аппаратуры, проходя одновременно как через амортизаторы, так и, минуя их, прямо через кожух к платам. Поэтому аппаратура, защищенная от вибраций, может оказаться не работоспособной при действии внешнего акустического шума.

Основные виды отказов радиоэлектронной аппаратуры при действии акустического шума:

· потеря выносливости несущих конструкций, нарушение герметичности корпусов блоков, срез винтов, усталостные разрушения выводов радиоэлементов и паяных соединений;

· деформация кабелей, электрических контактных устройств, печатных плат;

· нарушение нормальной работы (электронные шумы, сбои) переключателей, реле, гироскопов, электронных ламп, кварцевых резонаторов, полупроводниковых приборов.

Акустические процессы при старте, как открытом, так и защищенном (шахтном) можно, в основном, разделить на два класса:

· случайные колебания, обусловленные турбулентными пульсациями со сплошным спектром частот;

· детерминированные процессы (автоколебания) с ярко выраженными по уровню давления отдельными частотами (дискретными составляющими) в спектре шума.

Перейдем к рассмотрению источников шумообразования при старте ракет, в первую очередь автоколебательных, поскольку автоколебательные процессы, как показывает практика, наиболее опасны.

Автоколебательные процессы при старте могут сводиться к процессам с двумя видами обратной связи: акустической и газодинамической. Первый вид связи осуществляется в известном эффекте Пауэлла, характерном для холодных струй с малым давлением в камере, второй тип обратной связи реализуется в эффекте Гартмана. К этим двум типам можно отнести, вскрытые для условий старта ракет из шахт, так называемый шахтный акустический эффект и акустический эффект, возникающий при взаимодействии сверхзвуковой струи, втекающей в цилиндрическую полость шахты.

Особым видом автоколебаний является процесс пульсирующего догорания компонентов топлива. Этот процесс, как показали эксперименты, может реализовываться в межструйных зонах четырех сопловых компоновок ракетных двигателей твердого топлива, в которых сопла имеют сведение осей к центральной оси на . Такой процесс был обнаружен при экспериментах на крупномасштабной модели комплекса "Энергия – Буран".

Все это свидетельствует о сложности и многогранности акустических процессов при старте, поэтому их сколько-нибудь полное описание не представляется возможным. Большой вклад в изучение акустических процессов внесли ученые и инженеры ЦНИИМАШ, АКИН (А.В. Римский–Корсаков, В.М. Батенчук–Туско, А.Г. Семенов), ЦАГИ (А.Г. Мунин, Л.С. Крылов), НИИТП (А.Н. Антонов, А.А. Сергиенко, В.М. Купцов, Д.А. Мельников) и другие специалисты.

Акустический шум при старте из шахтной пусковой установки

Картина генерации звука в стартовой шахте с кольцевыми газоходами состоит в следующем. В зазоре между ракетой и стартовым стволом шахты реализуется в результате действия струй двигательной установки эжектируемый поток, а значительный градиент давления, образуемый при повороте потока в основании шахты и смене направления течения на обратное, приводит к появлению рециркуляционных зон с развитыми участками потока обратного направления. Основным источником звуковых полей в шахтном стволе является сверхзвуковой участок струй двигательной установки. Звуковые волны частично излучаются в открытое пространство из кольцевого зазора на верхнем срезе шахты, часть звука проходит в массу ракеты, а часть, через стенку стакана стартового ствола, – в газоход. Звуковое давление в стартовом стволе достигает .

При этом следует иметь в виду, что при использовании, в плане конверсии, в качестве носителей космических аппаратов ранее созданных ракет, запускаемых из шахтных установок, необходимо осуществлять, как правило, дополнительное снижение уровней акустических нагрузок на ракету-носитель и космический аппарат для обеспечения надежности работы аппаратуры космического аппарата.

Экспериментальные исследования позволили получить зависимости уровня звука от диаметра шахтного ствола и от мощности струй двигательной установки (ЦНИИМАШ – А.М. Семенов).

Эксперименты проводились на моделях шахт со стаканами четырех размеров и пятью моделями ракет, имеющими различные диаметры сопел и параметры на срезе сопел, которые варьировались в следующих пределах:

; .

Мощность струй модельных двигателей изменялась в пределах от до .

1. Было выявлено два режима течения:

· первый режим – свободное течение струи в эжектируемом потоке с вихрями при соотношениях ;

· второй режим – замыкание зоны смешения струи на стенки стартового ствола при соотношениях .

Первый режим дает уровень звукового давления в стволе на больше второго. Это объясняется тем, что в режиме замыкания струи на стенку в шахту поступает около мощности излучения струи на ее длине калибров, а в первом режиме – практически вся акустическая мощность струи.

Было установлено, что с возрастанием мощности струи возрастает уровень звука до предельного уровня . Этот вывод был получен с привлечением данных натурных измерений (см. рис.3.10).

Рис.3.10. Результаты натурных измерений

2. Была получена зависимость спектрального состава от реализуемых режимов:

· для первого режима при спектральный состав зависит от диаметра; при этом максимум спектра приходится на низкие частоты (кривая 1 на рис.3.11), но при широких стаканах поднимается уровень и высоких частот (кривая 2 на рис.3.11);

· для второго режима при узких стволах спектр имеет максимум в области высоких частот (кривая 3 на рис.3.11).

Рис.3.11. Зависимость спектрального состава от реализуемых режимов

Автоколебания в шахтной пусковой установке ("шахтный" акустический эффект)

Акустические исследования при старте ракет из шахт с газоходами начались в 1961 году одновременно со строительством экспериментальных натурных шахт.

Первые старты в 1961 году ракет с тягой из шахтной системы "Двина" происходили с недопустимо высокими угловыми отклонениями ракет , так как газовые рули под действием системы управления отклонялись до "упоров" в плоскости тангажа в обе стороны. В результате анализа данных внутришахтных измерений было установлено, что причиной такого поведения ракет являлась выдача командным прибором системы управления ложного сигнала при воздействии на него повышенных вибраций. Отмечались и другие следствия действия вибраций.

Акустические и вибрационные измерения, проведенные в 1962–1963 годы в шахтной пусковой установке "Двина", показали идентичность характера вибраций акустическим нагрузкам по спектральному составу и изменению во времени.

Отмечался аномально высокий уровень акустического давления до с частотой , зафиксированного в нижней части шахтного ствола (отметка ), а на уровне приборного отсека – до . Виброускорения корпуса приборов на этих частотах возрастали более, чем на порядок. Принятие конструктивных мер по амортизации прибора "Гирогоризонт" и отключение на шахтном участке программного механизма, выдававшего "ложные" команды, позволили обеспечить стабилизацию ракеты, однако и на дальнейших пусках продолжали проявляться различные аномалии в системе управления.

Для их исключения необходимо было разработать мероприятия по подавлению аномально высоких акустических процессов в шахте на основании, проведенных к тому времени, экспериментальных лабораторных исследований, которые были развернуты на газодинамических установках ЦНИИМАШ и позволили объяснить аномалии в работе приборов на борту ракеты при шахтных пусках еще до проведения натурных акустических измерений.

Так, параметрические экспериментальные исследования показали, что уровень акустического давления в стартовом стволе шахты существенно зависит от его диаметра. При относительных диаметрах стартового ствола шахты в спектрах шума появляются ярко выраженные дискретные составляющие (рис.3.12-г), частота которых существенно зависит от диаметра стартового ствола шахты (рис.3.12-а).

Рис.3.12. Результаты экспериментальных исследований
акустического давления в стартовом стволе шахты:

ОУЗД – общий уровень звукового давления.

Для выявления закономерностей процесса путем вариации различных параметров исследования проводились на геометрически подобных моделях шахтного стартового комплекса ( ) с воздушными струями, газодинамически подобными натуре. Модель двигательной установки выполнялась в двух вариантах: с четырехсопловым блоком ( , , , ) и с односопловым блоком ( , , ).

Модель шахтной пусковой установки была изготовлена со съемным днищем (рис.3.13-а). Специальная модель была выполнена восьмигранной с прозрачными стенками для проведения оптико-физических исследований (рис.3.13-б). На этой модели были получены уникальные кино- и фотоснимки потери устойчивости сверхзвуковых струй (рис.3.14).

Основные результаты исследований на модели сводятся к следующему:

· начиная с высоты подъема модели ракеты в стартовом стволе модели шахты наблюдается резкое повышение общего уровня звукового давления на выше уровня шума свободных струй при соответствующих параметрах (рис.3.12-в);

· шум сопровождается характерным высокочастотным звуком – "свистом", а в спектре частот наблюдаются ярко выраженные дискретные составляющие с амплитудой на основной частоте лишь на ниже общего уровня звукового давления, при этом частоты дискретных составляющих практически не зависят от высоты подъема модели ракеты в шахте;

· начиная с высоты общий уровень звукового давления, по мере последовательного увеличения высоты подъема ракеты, претерпевает периодические спады и максимумы с постоянным шагом по высоте, кратным половине длины волны звука на основной частоте;

а) модель стартовой шахты (68) со съемным днищем (модель ракеты с четырьмя струями)

б) модель шахты с прозрачными стенками

в) зависимость общего уровня звукового давления
от высоты подъема модели ракеты в шахте (модель ):

1 – полная модель шахты

2 – модель шахты без дна

3 – общий уровень звукового давления для свободной струи

l – длина волны звука на основной частоте

Рис.3.13. Результаты модельных исследований по звуковому давлению

а) сверхзвуковая струя ( ; ; )
в свободном пространстве

б) потеря струями устойчивости в модели шахты (воздушная струя)

Рис.3.14. Результаты исследований по потере устойчивости
сверхзвуковых струй

· максимальный уровень шума (общий уровень звукового давления), измеренный в районе среза сопел, составил , а в верхней точке зазора между ракетой и стартовым стволом – ;

· акустический процесс на высотах сопровождается потерей струей и системой четырех струй устойчивости (рис.3.14), а также колебаниями струй с частотой основного тона акустического излучения.

Следует отметить, что частоты вибраций и шума и , полученные позднее при натурных измерениях, близко соответствуют частотам модели и с учетом масштабного фактора. Таким образом, было экспериментально обнаружено новое в акустическом и газодинамическом плане явление в шахтном канале со сверхзвуковыми струями, объясняющее аномалии, с которыми встретились испытатели на натуре. Здесь следует отметить такой важный для исследования механизма эффекта факт, что процесс аномально высокого уровня акустических пульсаций воспроизводился и при снятом днище модельной шахты (рис.3.13-а), так как основным фактором было наличие вокруг струи цилиндрического стакана.

Этот фактор был в дальнейшем использован и для упрощения модельных крупномасштабных исследований и сведения условий геометрического подобия от полносистемных к фрагментарным.

В 1961 году в ходе анализа механизма явления было сделано предположение о том, что в шахтном акустическом эффекте существенную роль играют некоторые характерные свойства эффекта Пауэлла. Исследования, проведенные в 1961–1962 годы, показали, что дискретные составляющие в спектре шума свободных одиночной струи и системы четырех струй, обусловленные действием эффекта Пауэлла, практически совпадают с частотами в модели шахты. В то же время, это имеет место при нерасчетности , а при нерасчетности свободная струя становится устойчивой и дискретное излучение пропадает. Однако было сделано предположение о том, что и при нерасчетности , когда действие эффекта Пауэлла прекращается, струя остается источником дискретного излучения, частоты которого могут быть рассчитаны по зависимости:

,

где – длина "бочки" сверхзвуковой струи; – скорость звука в эжектируемой газовой среде (меняется по мере подъема ракеты);

,

где – скорость движения возмущения по струе; – скорость истечения на срезе сопла.

Анализ также показал, что частоты в модели шахты соответствуют собственным частотам поперечных колебаний в системе "труба – стартовый ствол шахты".

Поскольку автоколебания протекают на собственных частотах системы, то было естественно предположить, что условием его реализации является совпадение собственных частот струи и газа в стволе шахты:

,

где – собственные частоты струи (обусловленные эффектом Пауэлла); – собственные частоты поперечных колебаний газа в стартовом стволе шахты; – корни функций Бесселя; – диаметр стартового ствола шахты.

Выбор корней функции Бесселя предполагает, какая мода колебаний газа в стволе может быть осуществлена при колебаниях струи (рис.3.15). В натурных условиях интенсивность и частота акустического процесса зависят также и от положения ракеты по высоте шахты, то есть от продольных размеров, причем расстояние между максимумами совпадает с длиной волны основного тона (рис.3.12-в). Это является вторым условием для возникновения резонанса. Все вышеизложенное говорит о том, что шахтный акустический эффект не может быть просто сведен к эффекту Пауэлла, но может быть объяснен с учетом механизма последнего.

Рис.3.15. Моды колебаний струи

В соответствии с этим может быть предложена следующая схема образования шахтного акустического эффекта (рис.3.16):

· при входе в стартовый ствол первой "бочки" струи ее слабое излучение (собственной или Пауэлловской частоты) усиливается при условии резонанса;

Рис.3.16. Шахтный акустический эффект

· возбужденное в трубе акустическое поле, воздействуя на основание струи, усиливает ее колебания и излучение до амплитуд, приводящих к потере устойчивости струи в целом.

До настоящих исследований не были установлены условия дискретного излучения и потери устойчивости струями жидкостного ракетного двигателя. Поэтому были проведены специальные исследования с натурными струями. Исследования велись с одиночной струей ( ) и связкой четырех струй жидкостного ракетного двигателя ( ; ; ; ) при истечении в свободное пространство и при наличии имитатора стартового стакана. Исследования показали, что свободные струи жидкостного ракетного двигателя устойчивы, а в стакане теряют устойчивость и колеблются с частотой основного тона акустического излучения. На схемах рис.3.16 выделены следующие элементы системы "струя – цилиндрический канал":

1 – основание струи;

2 – конец первой бочки – скачок – источник дискретного акустического излучения;

3 – волны дискретного (Пауэлловского) излучения;

ИЭ – источник энергии (сверхзвуковая струя);

К – "клапан" системы (участок струи, прилегающей к срезу сопла;

КС – колебательная система (сверхзвуковая струя и окружающий газовый объем);

ОС – обратная связь;

У – усилитель (резонансный газовый объем).

Схема шахтного акустического эффекта сводится к следующей схеме автоколебательного процесса:

· тон колебаний (частота) задается отражением возмущений от пересечений скачков первой структуры струи со свободной поверхностью 2;

· возмущения усиливаются резонаторным эффектом газового объема вокруг струи при условии совпадения собственных частот объема с частотой излучения струи на дискретной частоте (элемент схемы У);

· эти усиленные возмущения передаются через газовый объем в шахте на основание струи 1, устанавливая обратную связь;

· основание струи, воспринимая колебания, приводит к подпитке колебаний энергии из струи (ИЭ), при условии совпадения частот и моды колебаний.

Основание струи, таким образом, является клапаном К этой колебательной системы, при этом коэффициент акустической отдачи в системе может быть больше на порядок, чем для свободной струи.

Установленная на основании экспериментальных данных схема развития автоколебательного процесса сверхзвуковых струй в шахте была весьма важна для объяснения аномалий в натурных объектах при пусках, а также весьма плодотворна при разработке рекомендаций для подавления колебаний высокого уровня.

Подавление процесса, как следовало из его схематизации, должно было основываться на разрыве обратной связи на каком-либо участке ее реализации или на "уходе" от условия резонанса путем изменения соответствующих параметров системы струя – шахтный стакан. Последующие исследования этих путей подтвердили правильность разработанной схематизации.

Так, исследования на модели показали следующее:

· подача газообразного водорода в стартовый ствол шахты приводит к повышению частот дискретных составляющих и к снижению их уровня (рис.3.17) из-за некоторого несовпадения собственных частот струи и газового объема стакана;

· экранирование начального участка струй приводит к прекращению действия шахтного акустического эффекта (рис.3.18) из-за разрыва обратной связи;

· при установке в стартовом стволе шахты резонансных звукопоглотителей действие шахтного эффекта прекращается.

В дальнейшем, при экспериментальной отработке средств глушения аномальных пульсаций для натурной шахтной пусковой установки использовался тот факт, что эффект воспроизводится в шахтном стакане без днища и газоходов шахты. Поэтому средства глушения отрабатывались на фрагменте стартового ствола крупного масштаба ( , ) с натурными жидкостными ракетными двигателями.

а) спектр шума: – – – – свободной струи ----- при автоколебательном процессе	б) схема установки
в) спектр шума струи при установленном на сопло экране	г) схема установки с экраном

Рис.3.18. Экранирование начального участка струй