Niestabilne spalanie
w silnikach rakietowych na paliwo stałe

Spalaniem paliw stałych nazywamy zespół procesów w wyniku których energia chemiczna paliwa zamienia się na energię cieplną produktów spalania. Proces spalania zostaje zapoczątkowany przez tzw. zapłon, który następuje pod wpływem zewnętrznego impulsu, w wyniku nagrzania elementów ładunku do temperatury wyższej od temperatury zapłonu. Dla stałych paliw jednorodnych temperatura ta wynosi około 473K. Zapłon może być miejscowy lub obejmować równocześnie całą powierzchnię ładunku. Po zapaleniu ładunku w jednym miejscu, dalsze procesy spalania zachodzą samoistnie pod wpływem wydzielanego ciepła. Proces spalania rozprzestrzenia się na powierzchni ładunku (tzw. rozpalanie). Równocześnie reakcja spalania przesuwa się w głąb ładunku (palenie się ładunku).

Takie spalanie występuje przy ciśnieniu atmosferycznym. W warunkach podwyższonego ciśnienia, przy spalaniu paliwa w ograniczonej objętości, zapłon jest natychmiastowy i obejmuje równocześnie całą powierzchnię ładunku. Spalanie następuje poprzez przenikanie palącej się warstwy w głąb ładunku.

Prawidłowy proces spalania paliwa stałego w silniku rakietowym charakteryzuje się całkowitym wykorzystaniem zasobów energetycznych paliwa. Mogą jednak występować zjawiska nienormalne, przejawiające się w postaci nieregularności krzywych ciśnienia w komorze spalania silnika rakietowego. W tego rodzaju zjawiskach, zwanych niestabilną pracą silnika rakietowego, wyróżnia się spalanie niezupełne, pulsacyjne i rezonansowe. Wszystkie te rodzaje niestabilnego spalania mogą wystąpić w silniku rakietowym jednocześnie.

Spalanie niezupełne — występuje przy obniżeniu ciśnienia w komorze spalania lub początkowej temperatury ładunku oraz przy niewłaściwie dobranym zapłonie. Objawem spalania niezupełnego jest znaczny spadek impulsu jednostkowego siły ciągu rakietowego (rys. 1):

I=(1/m) ∫^t Rdt

gdzie: m — masa ładunku paliwa; R — siła ciągu rakietowego; t — czas pracy silnika rakietowego.

Rys. 1. Impuls jednostkowy siły ciągu rakietowego: 1 - spalanie normalne; 2 - spalanie niezupełne.

Likwidacja spalania niezupełnego polega na stosowaniu w komorze spalania odpowiedniego ciśnienia, wyższego od tak zwanej dolnej granicy stabilnego spalania. Dolną granicę ciśnienia wyznacza się eksperymentalnie dla każdego badanego paliwa. Polega to na włączeniu, po uruchomieniu silnika laboratoryjnego, dodatkowej dyszy powodującej spadek ciśnienia w komorze silnika (rys. 2). Ze wzrostem temperatury początkowej ładunku dolna granica ciśnienia stabilnego spalania maleje, natomiast przy obniżeniu początkowej temperatury ładunku — wzrasta.

Rys. 2. Określanie dolnej granicy ciśnienia w komorze spalania, zapewniającego stabilne spalanie ładunku: 1 — spalanie normalne; 2 — spalanie niezupełne; t1 — chwila włączenia dodatkowej dyszy; t — czas pracy silnika rakietowego; p — ciśnienie w komorze spalania; Pd — dolna granica ciśnienia zapewniająca stabilne spalanie

Spalanie pulsacyjne. Spalanie niestabilne zdarza się również przy dużych prędkościach przepływu gazów wzdłuż palącej się powierzchni ładunku. Spalanie to, nazywane pulsacyjnym, może nastąpić również przy ciśnieniu większym od dolnej granicy stabilnego spalania. Podczas spalania pulsacyjnego może wystąpić od 10 do 15 skoków ciśnienia w komorze spalania (rys. 3).

Rys. 3. Ciśnienie w komorze silnika rakietowego podczas spalania pulsacyjnego.

Aby zlikwidować zjawisko spalania pulsacyjnego należy zmniejszyć szybkość gazów poniżej prędkości określonej z kryterium stabilności spalania, określającego maksymalną prędkość gazów w komorze spalania. Dla paliw o średniej kaloryczności i typowych silników rakietowych charakteryzujących się ciśnieniem w zakresie od 10 do 20 MPa, określa się prędkość maksymalną gazów wg wzoru:

W_max = (S_o – S_cz) / (F_k – S_cz)

S_o — całkowita powierzchnia palącego się ładunku;

S_cz — początkowa czołowa powierzchnia ładunku;

F_k — przekrój komory spalania.

Spalanie rezonansowe — objawia się w postaci nieregularnych krzywych ciśnienia w komorze spalania w różnych okresach pracy silnika (rys. 4). Maksymalne skoki ciśnienia mogą być bardzo duże i rozerwać silnik rakietowy, natomiast spadki ciśnienia mogą przerwać spalanie. Zjawisku temu towarzyszą drgania akustyczne o częstotliwości od 500 do 50 000 Hz.

Rys. 4. Ciśnienie w komorze silnika rakietowego podczas spalania rezonansowego.

W praktyce, w celu ograniczenia spalania rezonansowego stosuje się odpowiednio duże średnice kanałów ładunku oraz wprowadza się do komory spalania rdzenie o odpowiedniej konfiguracji do tłumienia drgań.