Экспериментальное исследование влияния шероховатости аддитивно изготовленных поверхностей на гидродинамику трактов охлаждения жидкостных ракетных двигателей
Автор: Манохина Э.С., Иванов А.С., Зуев А.А., Арнгольд А.А.
Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau
Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 1 т.27, 2026 года.
Бесплатный доступ
Повышение эффективности жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) неразрывно связано с интенсификацией процессов охлаждения в критических по тепловым нагрузкам элементах, таких как камеры сгорания и сопла. Аддитивные технологии (Additive Manufacturing, AM),в частности селективное лазерное сплавление (SLM), позволяют создавать тракты охлаждения со сложными внутренними каналами и интенсификаторами теплообмена. Однако формируемый при этом микрорельеф поверхности оказывает существенное влияние на гидродинамическое сопротивление и теплоотдачу, что не всегда учитывается в существующих методиках проектирования. Рассматривается экспериментальная оценка влияния шероховатости поверхностей, характерной для аддитивного производства, на формирование динамического пограничного слоя в условиях, моделирующих течения в каналах охлаждения ЖРД. Изготовлены образцы-пластины из алюминиевого сплава ALSi10Mg методом SLM: с контролируемой шероховатостью и интенсификаторами потока. Профиль шероховатости поверхностей оценивался на профилометре TR 110. Исследования проводились на специально разработанной аэродинамической установке, моделирующей течение в прямоугольном канале. Поля скоростей в пристенной области измерялись пневмометрическим методом при фиксированном расходе воздуха. Проведена оценка погрешностей и аппроксимация данных. Установлено, что шероховатость SLM-поверхностей приводит к значительной перестройке скоростного профиля в пограничном слое по сравнению с гидравлически гладким случаем: наблюдается уменьшение его толщины и изменение формы эпюры скоростей. Для пластины с интенсификаторами зафиксированы наибольшие отклонения. Получены степенные аппроксимирующие зависимости для каждого типа поверхности, где показатель степени варьируется в зависимости от параметров шероховатости. Показано, что использование в расчетах ЖРД моделей пограничного слоя для гладких поверхностей применительно к аддитивным деталям может приводить к некорректной оценке гидравлических потерь и, как следствие, к ошибкам в прогнозировании температурного состояния стенки. Полученные зависимости необходимы для разработки скорректированных расчетных методик, учитывающих реальную топографию поверхностей, сформированных методами AM, что позволит повысить надежность и эффективность проектирования систем охлаждения ЖРД.
Жидкостный ракетный двигатель, тракт охлаждения, аддитивное производство, селективное лазерное сплавление, пограничный слой, шероховатость поверхности, гидродинамическое сопротивление, теплообмен
Короткий адрес: https://sciup.org/148333113
IDR: 148333113 | УДК: 621.45 | DOI: 10.31772/2712-8970-2026-27-1-123-140
Experimental study of the effect of the roughness of additively fabricated surfaces on the hydrodynamics of cooling paths of liquid rocket engines
Increasing the efficiency of liquid rocket engines (LRE) is inextricably linked to the intensification of cooling processes in heat-critical elements such as combustion chambers and nozzles. Additive Manufacturing (AM) technologies, in particular selective laser fusion (SLM), make it possible to create cooling paths with complex internal channels and heat transfer intensifiers. However, the surface microrelief formed in this case has a significant effect on hydrodynamic resistance and heat transfer, which is not always taken into account in existing design methods. An experimental assessment of the effect of surface roughness, characteristic of additive manufacturing, on the formation of a dynamic boundary layer under conditions simulating flows in the cooling channels of liquid propellant is considered. The sample plates made of AlSi10Mg aluminum alloy were made using the SLM method: with controlled roughness and flow intensifiers. The surface roughness profile was evaluated on a TR 110 profilometer. The research was carried out on a specially designed aerodynamic installation that simulates the flow in a rectangular channel. The velocity fields in the wall area were measured by the pneumometric method at a fixed air flow rate. The errors were estimated and the data approximated. It is established that the roughness of SLM surfaces leads to a significant restructuring of the velocity profile in the boundary layer compared to the hydraulically smooth case: a decrease in its thickness and a change in the shape of the velocity diagram are observed. The largest deviations were recorded for the plate with intensifiers. Power-law approximating dependences are obtained for each type of surface, where the exponent varies depending on the roughness parameters. It is shown that the use of boundary layer models for smooth surfaces in liquid propellant calculations in relation to additive parts can lead to incorrect estimation of hydraulic losses and, as a result, to errors in predicting the temperature state of the wall. The obtained dependences are necessary for the development of adjusted calculation methods that take into account the actual topography of the surfaces formed by AM methods, which will increase the reliability and efficiency of the design of liquid propellant cooling systems.
