Niestabilne spalanie w silnikach rakietowych na paliwo stałe

W silnikach rakietowych na paliwo stałe (SRPS) proces spalania odbywa się na powierzchni ładunku paliwa stałego, umieszczonego w komorze spalania. Paliwo stałe (prochowe lub mieszankowe) zawiera w swoim składzie zarówno utleniacz, jak i czynnik palny. Szybkość spalania paliwa stałego zależy od ciśnienia gazów w komorze spalania i temperatury początkowej ładunku paliwa.

Zależność szybkości spalania od ciśnienia w komorze spalania przedstawia się wzorem:

u = u₁ · p^ν

gdzie: u₁ — szybkość spalania przy ciśnieniu jednostkowym; p — ciśnienie w komorze spalania; ν — wykładnik potęgowy charakteryzujący stałość spalania.

W SRPS występuje zjawisko zwane spalaniem erozyjnym. Polega ono na zwiększeniu szybkości spalania pod wpływem przepływu gazów wzdłuż powierzchni palącej się. Zjawisko to występuje głównie w początkowej fazie pracy silnika, gdy kanał w ładunku paliwa ma najmniejszy przekrój poprzeczny, a prędkość przepływu gazów jest największa. Szybkość spalania erozyjnego (u_er) określa się wzorem:

u_er = u (1 + k_er · v)

gdzie: u — szybkość spalania bez erozji; k_er — współczynnik erozji; v — prędkość przepływu gazów.

Poważnym problemem w SRPS jest niestabilność procesu spalania, która może przyjąć formę spalania rezonansowego. Polega ono na gwałtownym, skokowym wzroście ciśnienia wewnątrz komory 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.