Кустические процессы при старте

Сверхзвуковая струя является мощным источником акустической энергии, излучаемой турбулентным слоем смешений высокоскоростных частиц струй с воздухом. От пульсаций давления и вихрей в слое смешения излучаемая мощность составляет примерно мощности струи. Однако зависимость акустической отдачи от скорости весьма сложная. Так, для высокоскоростных струй при она может достигать . При дальнейшем увеличении скорости от до коэффициент акустической отдачи падает до .

Помимо этого процесса, достаточно известного и освещенного в зарубежной и отечественной литературе, при взаимодействии струй с элементами пускового устройства возникают акустические процессы нового вида, которые можно отнести условно к типу эффектов Пауэлла или Гартмана, так как они связаны с колебаниями газа в полостях в результате воздействия обратной акустической или газодинамической связи, то есть с возникновением автоколебаний и, иногда, с потерей устойчивости струи.

Возникают и другие источники акустических излучений. Излучение от эффекта взаимодействия сверхзвуковых струй с преградами сильнее, чем от простого отражения акустических волн.

Таким образом, при пуске ракеты окружающее ее пространство является акустическим полем, колебания газа в котором воздействуют на ракету и агрегаты пускового устройства, вызывая вибрации их элементов и подвергая тем самым опасности их работоспособность. Этому способствует как широкий спектр пульсаций давления, так и широкий спектр собственных частот элементов и агрегатов конструкций, вследствие чего всегда возможны резонансы. Спектр акустического поля струи имеет диапазон . Уровень акустической мощности на отдельных частотах в шахтной пусковой установке при автоколебаниях может достигать . Акустические нагрузки при старте, как правило, превосходят акустические и пульсационные нагрузки в полете и достигают на днище ракеты.

3.2.1. Общие понятия и закономерности акустических процессов

Звуковая волна – распространение возмущения в среде со скоростью звука:

, , , ,

где – газовая постоянная; – температура.

Если , то ; если , то .

Звуковые колебания – движение частиц под действием возмущения.

Фронт волны – поверхность, соединяющая точки с одинаковой фазой колебаний.

Звуковой луч – направление звуковых колебаний.

Интенсивность звука – мощность или энергия в единицу времени, проходящая через единицу поверхности.

Для периодических процессов

,

где и – мгновенные значения давления и скорости частиц соответственно.

Для синусоидальных колебаний

,

где , – амплитудные значения давления и скорости, – сдвиг по фазе между и .

Связь между и

Если задана скорость колебаний v, то вызываемое этим колебанием давление будет определяться упругими характеристиками среды – акустическим сопротивлением . При этом

.

Рассмотрим (рис.3.4) баланс массы для элементарной трубки с площадью , длиной , по которой движется звуковое возмущение со скоростью .

Рис.3.4. Элементарная трубка, в которой идет звуковое возмущение

Количество массы, вошедшей в этот объем, будет . Тогда повышение плотности в этом объеме будет и . Отсюда и . Так как , то .

Тогда мгновенное значение мощности на единицу площади будет

,

где – для нормальных условий атмосферы на уровне моря; – для , .

Единицы измерений

Давление измеряется в (Паскаль) = = = = .

Интенсивность звука измеряется в . Уровень интенсивности звука измеряется в децибелах или в Белах ( ):

;

,

где – пороговая интенсивность.

Уровень акустического давления определяется по и акустическому сопротивлению . Тогда пороговое давление

;

.

Например, давлению соответствует уровень давления .

В таблицах 3.2 и 3.3 представлены отношения интенсивностей и давлений и соответствующие им разности уровней.

Таблица 3.2

;	, дБ	, дБ	;	, дБ	, дБ
3,16

Таблица 3.3

		1,26					102	103	104	106	1010
		1,16	1,41		2,24	3,16		31,6	102	103	105
, дБ

Частотный состав акустических колебаний определяется спектром. Частота колебаний (число колебаний в секунду) измеряется в Герцах . Диапазон частот колебаний, в котором частота изменяется в два раза, то есть

,

называется октавой. Третья часть октавы (в логарифмическом масштабе частот) определяет третьоктавную полосу спектра. Соотношения для граничных частот определяются следующим образом:

;

.

Средняя частота ,

(6% полоса спектра – 1/4 от третьоктавного).

Сложение уровней

При суммировании уровней звука складываются мощности или квадраты давлений , поочередно, от большего к меньшему.

Например, при суммировании двух уровней звука , где , имеем

;

;

,

где .

При , , .

Связь спектральных и третьоктавных уровней:

.

Так как ,

то ;

.

;

.

Закономерности движения акустических волн. Волновое уравнение. Движение в канале постоянной площади

В канале распространяется плоская волна, интенсивность которой зависит от мощности источника и площади сечения канала. Эта интенсивность не зависит от расстояния, если пренебречь потерями на вязкость, турбулентность и другими диссипативными потерями.

Движение волн определяется решениями волнового уравнения

, .

Решение волнового уравнения состоит из двух членов, описывающих распространение волн в положительном и отрицательном направлениях оси . При синусоидальной зависимости от времени давление и скорость колебаний частиц газа в плоской волне описываются выражениями

;

,

где ; – волновое число.

Амплитуда смещения и амплитуда скорости частиц газа в волне связаны соотношением . Давление и скорость колебаний в плоской волне совпадают по фазе, поэтому акустическое сопротивление – действительная величина, равная активному сопротивлению .

Интенсивность плоской волны

.

Сферическая волна

Волновое уравнение в сферических координатах

.

Частное решение (для распространяющейся из центра волны)

.

Скорость колебаний

;

,

где – амплитуда скорости на расстоянии единицы длины от центра:

,

где – сдвиг фаз между давлением и скоростью колебаний,

,

где – длина волны.

На средних частотах на расстоянии, большем , можно пренебречь сдвигом фаз.

Распространение волн от источника в центре сферы

Полная мощность зависит от источника и, в случае пренебрежения потерями, не изменяется с расстоянием от источника.

Интенсивность звука с расстоянием уменьшается из-за роста поверхности сферической волны по квадратичной зависимости от радиуса сферы

.

Звуковое давление уменьшается обратно пропорционально радиусу сферы

,

где , – интенсивность и давление на расстоянии единицы длины ( ) от центра.

Цилиндрическая волна

Цилиндрическая волна возникает от источников, расположенных цепочкой по длине прямой. Интенсивность звука убывает обратно пропорционально расстоянию от оси источников

,

а звуковое давление, изменяющееся по закону

.

3.2.2. Акустическое поле сверхзвуковой струи

Основные источники шума струи

Источником акустического излучения, общим для всех струй, является турбулентный слой смешения высокоскоростных частиц струи с воздухом, в котором возникают поперечные и продольные пульсации скорости . Согласно полуэмпирической теории Прандтля пульсации скорости пропорциональны пути смешения частиц , который постоянен в каждом поперечном сечении струи и увеличивается пропорционально длине струи .

Зависимость для пульсационной скорости:

.

Очевидно, что в соответствии с изменением пути смешения и скорости течения, будут меняться частота пульсаций скорости и излучаемого давления, а частота с максимальным уровнем излучения в каждом сечении будет

, .

Вихревые движения в слое смешения образуются вследствие потери устойчивости границы струи, при котором ускоряющиеся внутренние части вихрей переносят в пограничный слой частицы струи, а замедляющиеся внешние части увлекают внутрь окружающий воздух. Этот механизм пульсаций называется сдвиговым (рис.3.5).

Рис.3.5. Сдвиговый механизм пульсаций

Этот механизм способствует турбулизации как усилитель излучения шума.

Одним из источников шума сверхзвуковой струи является излучение вихрей, движущихся со сверхзвуковой скоростью по "границе" струи. Фронт излучения располагается под углом к оси струи (см. рис.3.6):

,

где – скорость конвекции вихрей, ; – внешнее число Маха струи.

Рис.3.6. Расположение фронта излучения

Пересечение движущимся возмущением скачков на границе струи приводит к излучению акустической энергии на дискретных частотах, зависящих от длины структур , скорости струи и скорости звука в воздухе, по которому возмущение передается обратно к кромке сопла, синхронизируя излучение на частоте

.

Мощность акустического излучения

Количественная характеристика акустического излучения определяется экспериментально, хотя теория Лайтхилла – Филлипса предсказывает закономерность изменения интенсивности излучения от скорости потока и направленности излучения. Экспериментальная зависимость коэффициента мощности акустического излучения от скорости струи представлена на рис.3.7, где , – механическая мощность струй двигательной установки ракеты. Величина измеряется в , скорость – в ; .

Рис.3.7. Экспериментальная зависимость коэффициента мощности
акустического излучения от скорости струи

Для ракет с мощностью до может использоваться эмпирическая формула

,

то есть .

Если для выражения акустической мощности в принять , то

; .

Суммарная акустическая мощность сверхзвуковой струи реализуется на калибрах, до калибров реализуется основная часть суммарной мощности.

Закономерность распространения звука от струи в дальнем акустическом поле определяется формулой для сферической волны. В дальнем акустическом поле струя принимается как точечный источник, давление и скорость колебаний не имеют сдвига фазы. Тогда

; ,

где – площадь сферы или полусферы,

.

Если , то ;

если , то ,

где измеряется в , то единицами измерения являются .

В диапазоне расстояний струю нужно рассматривать как цилиндрический источник с линейно расположенными единичными источниками акустического излучения. С изменением расстояния от струи интенсивность акустического излучения должна изменяться как , а давление . Это ближнее акустическое поле. Здесь давление и скорость колебаний совпадают по фазе на средних частотах . Суммарные уровни давления в ближнем поле достигают .

Зона, расположенная на расстояниях (гидродинамическая зона), является зоной индукции, здесь колебания давления и скорости не совпадают по фазе. Уровни акустического давления в этой зоне достигают .

Зона является зоной турбулентных пульсаций скоростей и давлений в слое смешения. Пульсации давления здесь достигают .

Спектр акустической мощности струи

Спектр акустической мощности струи в дальнем поле определяется единой экспериментальной зависимостью – обобщенной спектральной плотностью шума (рис.3.8).

Рис.3.8. Обобщенная спектральная плотность шума для ракетных
и турбореактивных двигателей и моделей ракет:

– скорость звука в выходном сечении сопла; – диаметр выходного сечения сопла; – частота; – спектральная плотность давления; по оси ординат отложена величина

Спектр в ближнем поле единой зависимостью не объединяется. При удалении от среза сопла вниз по потоку частота максимума спектра сдвигается в область низких частот, при приближении – в область высоких частот.

Направленность акустического излучения струи

Излучение слоя турбулентного смешения – собственный шум – дает сферическую диаграмму направленности.

Сдвиговый шум, вызванный колебаниями границ струи, имеет минимум в поперечном направлении.

Влияние конвекции снижает на уровень интенсивности в направлении, обратном движению струи, и повышает на по направлению струи.

Влияние дифракции звука в слоях с различной плотностью горячей струи приводит к отклонению звуковых лучей от оси. В результате этого образуется провал интенсивности на оси струи спереди и сзади, и повышение интенсивности в секторе под углом к оси. Диаграмма направленности представлена на рис.3.9.

Рис.3.9. Диаграмма направленности излучения струи ракетного двигателя

3.2.3. Акустика старта ракет-носителей

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.