Сравнение нового разработанного метода профилирования сопла внешнего расширения с другими методами профилирования


Авторы

Эзугбая Г. Д.1, Кочетков Ю. М.2*

1. HПO Энергомаш им. академика В. П. Глушко, ул. Бурденко,1 Химки, Московская область, 141400, Россия
2. Исследовательский центр имени М.В. Келдыша, ГНЦ Центр Келдыша, Онежская ул., 8, Москва, 125438, Россия

*e-mail: swgeorgy@gmail.com

Аннотация

Работа содержит результаты численного моделирования течения идеального газа в штыревых соплах жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с дискретными камерами сгорания, проведенного в программном комплексе ANSYS CFX. Профили сопел были построены тремя методами: новым разработанным методом, основанным на анализе линий тока, параболическим методом и классическим методом характеристик. Каждый подход имеет свои теоретические основы и практические ограничения, что предопределило необходимость их сравнительного анализа с точки зрения эффективности.
Параболический метод базируется на построении кривых второго порядка с заданием геометрических параметров (углы входа и выхода потока, радиусы кривизны критического сечения) и широко применяется в инженерной практике благодаря своей простоте. Однако его недостатком является недостаточная адаптация к сложным газодинамическим условиям, особенно в сверхзвуковой зоне. Метод характеристик, в свою очередь, учитывает физику сверхзвукового течения, где возмущения распространяются строго вдоль характеристик под углом Маха. Этот метод обеспечивает высокую точность, но требует значительных вычислительных ресурсов и детального задания граничных условий, что ограничивает его применение на ранних этапах проектирования.
Новый разработанный метод возник в результате анализа экспериментов с соплами твердотопливных ракетных двигателей (РДТТ). Исследования показали, что при интенсивном тепловом воздействии внутренняя поверхность сопла РДТТ повторяет естественные линии тока сверхзвукового потока. Это наблюдение позволило предположить, что такие профили обладают повышенной аэродинамической эффективностью. Был адаптирован этот принцип для ЖРД, несмотря на различия в условиях работы: отсутствие абляции материалов в ЖРД делает задачу нетривиальной. Теоретической основой стало предположение, что оптимальный профиль сопла должен минимизировать потери на трение и волновое сопротивление, что достигается при следовании геометрии линиям тока.

© Эзугбая Г.Д., Кочетков Ю.М., 2026
Численное моделирование выполнено в ANSYS CFX с использованием уравнений Навье–Стокса для идеального газа и модели турбулентности SST. Сеточная независимость результатов проверялась на трех последовательно измельченных сетках, что обеспечило погрешность расчетов менее 1 %. Граничные условия включали задание массового расхода и температуры на входе в сопло, а также атмосферного давления на выходе.
В качестве критериев эффективности выбраны пустотный удельный импульс и тяга двигателя. Эти параметры напрямую определяют энергетические характеристики ЖРД в вакууме. Удельный импульс рассчитывался с учетом неполноты расширения газа и потерь на трение, а тяга – через интегрирование давления по поверхности сопла и потока на срезе. Сравнение методов показало, что новый подход обеспечивает прирост удельного импульса и тяги.
Полученные результаты открывают перспективы для оптимизации штыревых сопел, однако требуют экспериментальной валидации. Ключевое ограничение нового метода – перенос закономерностей от РДТТ к ЖРД, где отсутствуют деструктивные процессы в материалах.

Ключевые слова:

сопло с центральным телом, штыревое сопло, профиль сопла, численное моделирование, пустотный удельный импульс, тяга

Список источников

  1. Киселев А.С., Луцик В.Г., Стернин Л.Е. и др. Потери удельного импульса из-за трения в штыревых соплах // Изв. РАН. МЖГ. 2001. № 5. С. 83–91.

  2. Виленский Ф.А., Волконская Т.Г., Грязнов В.П. и др. Исследование нерасчетных режимов осесимметричного кольцевого сопла с центральным телом // Изв. АН СССР. Мех. Жидк. И газа. 1972. № 4.

  3. Архипов А.Б., Воинов А.Л., Горохов В.Д. и др. Разработка и испытания уникальной камеры ЖРД РД-0126 «Ястреб» с разворотом потока в сопле на 180° // Международный научный журнал. Институт водородной экономики. 2012. № 1–2. 6 с.

  4. Киселев А.С., Луцик В.Г., Стернин Л.Е. и др. Потери удельного импульса из-за трения в штыревых соплах // Изв. РАН. МЖГ. 2001. № 5. С. 83–91.

  5. Чванов В.К., Левочкин П.С., Лопатин Б.В. и др. Конструкторские разработки в проектах маршевых двигательных установок перспективных ракет-носителей с общими штыревыми соплами // Труды «НПО Энергомаш им. В. П. Глушко». 2019. № 36. С. 110–140.

  6. Бурцев И.В., Иванов А.В., Левочкин П.С. и др. Проработка конструкции комбинированной двигательной установки со штыревым сопловым блоком // Труды «НПО Энергомаш им. В. П. Глушко». 2024. № 42, С. 159–178.

  7. Шмыглевский Ю.Д. Некоторые вариационные задачи газовой динамики. Труды АН СССР. 1963.

  8. Шмыглевский Ю.Д. Вариационные задачи для сверхзвуковых тел вращения и сопел // Прикладная математика и механика. Т. 26. № 1.

  9. Rao G.V.R. Exhaust nozzle contour for optimum thrust // Jet Propulsion. 1958. V. 28. № 6. pp. 377–382.

  10. Кочетков Ю.М., Кочетков Н.Ю. Турбулентность. Автомодельность процесса уноса материала в закритической части сверхзвукового сопла РДТТ // Двигатель. 2022. № 1/3.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2026